ДВИЖИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С КАСКАДНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
PROPULSION PLANT WITH CASCADE ELECTRIC CONVERTER

Предложение относится к электрическому приводу движительного комплекса автономного транспортного средства, содержащему генераторный агрегат, каскадный электрический преобразователь и тяговый электродвигатель переменного тока с электрически независимыми обмотками на статоре и может быть использовано в качестве устройства регулирования тяги, упора, мощности или скорости транспортного средства. Технический результат предложения заключается в уменьшении числа независимых изолированных обмоток генераторного агрегата, исключении силового согласующего трансформатора в силовом канале движительной установки автономного транспортного средства, а также возможности реализации электрической передачи мощности тягового транспортного средства большой мощности с высокими показателями качества синтезируемого напряжения для питания тягового электродвигателя.
Известна электродвижительная установка судна (Григорьев А.В., Ляпидов К.С., Макаров Л.С. Единая электроэнергетическая установка гидрографического судна на базе системы электродвижения переменного тока. // Судостроение, 2006, №4, с. 33-34), содержащая первичные тепловые двигатели, с которыми механически соединены синхронные генераторы переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазной линии главного распределительного щита. К шинам трехфазной линии главного распределительного щита подключены потребители собственных нужд и первичные обмотки трансформаторов, к вторичным обмоткам которых подключены входы преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока. Недостатком известной электроэнергетической установки является то, что преобразователи частоты выполнены по схеме двухзвенных преобразователей частоты с двухуровневым инвертором напряжения, который имеет низкий показатель качества синтезируемого выходного напряжения для питания гребных электродвигателей, а также то, что преобразователи частоты питаются не напрямую от главного распределительного щита, а через согласующие трансформаторы, что снижает энергетические характеристики судовой электроэнергетической установки, повышает ее стоимость, массу и габариты. К недостаткам также относится искажение напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой преобразователей частоты, так как мощность гребных электроприводов может значительно превышать мощность потребителей собственных нужд.
Известна электродвижительная установка (МПК В63Н 21/17, В63Н 23/24, патент RU 2529090 (С1), дата подачи заявки 27.03.2013, Калмыков А.Н., Кузнецов В.И., Сеньков А.П., Судовая электроэнергетическая установка), содержащая главные первичные тепловые двигатели, многофазные главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, многоуровневые преобразователи частоты, гребные электродвигатели, аварийный дизель-генератор, аварийный распределительный щит, согласующие многофазные трансформаторы и потребители собственных нужд. На статоре каждого главного синхронного генератора размещены многофазные обмотки, подключенные к раздельным шинам главного распределительного щита к которому также подключены выпрямители многоуровневых преобразователей частоты и согласующие многообмоточные трансформаторы потребителей собственных нужд. К выходу многоуровневых преобразователей частоты подключены гребные электродвигатели, а к шинам вторичного распределительного щита подключены аварийный и стояночный дизель-генератор. Достоинством известной структуры является высокое качество синтезируемого напряжения на выходе многоуровневых преобразователей частоты для питания гребных электродвигателей. Недостатками известной судовой электроэнергетической установки является сложная структура системы распределения электроэнергии, наличие нестандартного, громоздкого и сложного электрооборудования, а также искажения напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой преобразователей частоты. К недостаткам известной установки также можно отнести невозможность использования высокочастотного генераторного агрегата, так как шины главного распределительного щита должны быть рассчитаны на напряжение промышленной частоты 50 Гц для последующего питания потребителей собственных нужд.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа судовая электродвижительная установка (МПК В63Н 21/17, В63Н 23/24, H02J 3/16, патент RU 2458819 (С1), Заявка: 2011107510/11, 25.02.2011, Васин И.М., Сеньков А.П., Токарев Л.Н., Судовая электроэнергетическая установка (варианты)). Известная установка содержит главные первичные тепловые двигатели, главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, преобразователи частоты, гребные электродвигатели, аварийный дизель-генератор, аварийный распределительный щит, согласующие трансформаторы и потребители собственных нужд. На статоре каждого главного синхронного генератора размещены несколько изолированных друг от друга трехфазных обмоток, подключенных к раздельным шинам главного распределительного щита к которому также подключены выпрямители многоуровневых инверторов напряжения и согласующие трансформаторы потребителей собственных нужд. К выходу многоуровневых инверторов напряжения подключены гребные электродвигатели, а к шинам вторичного распределительного щита подключены аварийный и стояночный дизель-генератор. Статорные обмотки каждого из гребных электродвигателей соединены звездой. Технический результат такой конструкции обеспечивает повышение качества синтезируемого напряжения для питания гребных электродвигателей, а также повышение К.П.Д. и надежности судовой установки за счет исключения трансформаторов между линиями главного распределительного щита и преобразователями частоты. Недостатками известного прототипа является сложная структура системы распределения электроэнергии, большое количество коммутационных аппаратов, сложная схемотехническая реализация многоуровневых преобразователей частоты на основе многоуровневых инверторов напряжения, а также искажения напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой преобразователей частоты. К недостаткам известной установки также можно отнести невозможность использования высокочастотного генераторного агрегата, так как шины главного распределительного щита должны быть рассчитаны на напряжение промышленной частоты 50 Гц для последующего питания потребителей собственных нужд, причем необходимо осуществлять стабилизацию этой частоты для обеспечения качественного питания потребителей собственных нужд. К недостаткам известной структуры также можно отнести отсутствие масштабируемости схемы и использование ее при больших единичных мощностях гребного электродвигателя.
Предлагаемая движительная установка с каскадным электрическим преобразователем позволит исключить силовой согласующий трансформатор из схемы движительного комплекса с каскадным преобразователем частоты. Предложенная структура электрического преобразователя позволит получить еще более высокое качество синтезируемого напряжения а, следовательно, и тока для питания гребного электродвигателя (практически синусоидальное напряжение на выходе электрического преобразователя). Представленная движительная установка с каскадным электрическим преобразователем позволяет осуществлять независимое питание гальванически изолированных обмоток тягового электродвигателя. Предложенный вариант движительного комплекса позволит реализовать электроэнергетическую установку для любого автономного транспортного средства и практически для любой установленной мощности тягового электродвигателя. Достоинством предложенной электроэнергетической установки является и то, что она может быть построена с использованием высокооборотных безредукторных главных генераторных агрегатов с выходным напряжением повышенной частоты а, следовательно, такое конструктивное решение позволит улучшить массогабаритные и энергетические характеристики. Таким образом, предлагаемая электроэнергетическая установка движительного комплекса позволяет улучшить установочные и эксплуатационные характеристики системы электродвижения, повысить надежность и характеризуется простой структурой построения и используемыми однотипными простыми и надежными элементами в составе каскадного электрического преобразователя - однофазными преобразователями частоты. Такое схемное решение позволит синтезировать напряжение питание каждой фазы тягового электродвигателя независимо от напряжения остальных фаз, а также более высокого качества при многофазном исполнении тягового электродвигателя. Следует отметить еще одно достоинство предложения - это значительное уменьшение числа гальванически изолированных обмоток генераторного агрегата (в количество раз равное числу изолированных друг от друга обмоток фаз тягового электродвигателя) за счет отсутствия электрической связи между обмотками фаз тягового электродвигателя.
Описанные преимущества достигаются тем, что для управления тяговым электродвигателем используется каскадный электрический преобразователь, а сам тяговый электродвигатель выполнен многофазным с гальванически изолированными фазными обмотками на статоре. Причем питание каждой фазы тягового электродвигателя осуществляется от своей группы однофазных преобразователей частоты соединенных последовательно и образующих фазу каскадного электрического преобразователя.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в движительной установке с каскадным электрическим преобразователем содержащей систему управления, генераторный агрегат, автоматические выключатели, электрический преобразователь и тяговый электродвигатель, причем автоматические выключатели, количество которых равно произведению числа изолированных друг от друга многофазных электрических обмоток генераторного агрегата на число фазных обмоток тягового электродвигателя подключены своими выходными контактами к входам электрического преобразователя, выходы которого подключены к фазным обмоткам тягового электродвигателя предусмотрены следующие отличия: электрический преобразователь состоит из фаз электрического преобразователя, количество которых равно числу фазных обмоток тягового электродвигателя, каждая фаза электрического преобразователя содержит однофазные преобразователи частоты, количество которых в каждой из фаз электрического преобразователя равно числу изолированных друг от друга электрических обмоток генераторного агрегата, причем каждый из однофазных преобразователей частоты каждой фазы электрического преобразователя своим входом соединен с выходными контактами своего автоматического выключателя, а выходы однофазных преобразователей частоты каждой из фаз электрического преобразователя соединены последовательно и образуют условные начало и конец фаз электрического преобразователя, входы автоматических выключателей подключенных к каждому однофазному преобразователю частоты каждой фазы электрического преобразователя подключены каждый на выход своей многофазной электрической обмотки генераторного агрегата, тяговый электродвигатель конструктивно выполнен с гальванически изолированными фазными обмотками на статоре условные начала и конец каждой из которых подключен на условные начала и конец своей фазы электрического преобразователя соответственно.
Кроме того движительная установка с каскадным электрическим преобразователем может содержать коммутационные аппараты, количество которых равно количеству однофазных преобразователей частоты электрического преобразователя, причем силовые контакты каждого из коммутационных аппаратов подключены параллельно выходным контактам каждого однофазного преобразователя частоты.
Кроме того, движительная установка с каскадным электрическим преобразователем может дополнительно содержать автоматические выключатели, дополнительный электрический преобразователь, главный распределительный щит, вспомогательный дизель-генератор, накопитель электрической энергии с согласующим электрическим преобразователем, потребители собственных нужд, причем часть дополнительных автоматических выключателей, количество которых равно числу изолированных друг от друга многофазных электрических обмоток генераторного агрегата, включены между изолированными многофазными обмотками генераторного агрегата и входами дополнительного электрического преобразователя выход, которого через дополнительный автоматический выключатель подключен к главному распределительному щиту, к которому подключены: через дополнительный автоматический выключатель вспомогательный дизель-генератор; через согласующий электрический преобразователь накопитель энергии; потребители собственных нужд.
Кроме того движительная установка с каскадным электрическим преобразователем может содержать несколько тяговых электродвигателей со своими электрическими преобразователями и со своими группами автоматических выключателей, причем входы каждой группы автоматических выключателей подключены к изолированным многофазным обмоткам генераторного агрегата, а выходы подключены каждый на вход своего электрического преобразователя, а к выходу каждого электрического преобразователя подключен свои тяговый электродвигатель.
Кроме того, движительная установка с каскадным электрическим преобразователем может быть выполнена так, что изолированные многофазные электрические обмотки генераторного агрегата выполнены на разный уровень напряжения, причем многофазная электрическая обмотка генераторного агрегата, подключенная к однофазным преобразователям частоты первого уровня каждой фазы электрического преобразователя выполнена на номинальное напряжение, которое составляет половину от номинального выходного напряжения каждой фазы электрического преобразователя, а номинальное напряжение изолированных многофазных обмоток генераторного агрегата, подключенных к однофазным преобразователям частоты каждого последующего уровня в два раза меньше номинального напряжения изолированных многофазных обмоток генераторного агрегата предыдущего уровня.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 - представлена базовая схема движительной установки с каскадным электрическим преобразователем и независимыми обмотками фаз тягового электродвигателя; на Фиг. 2 - представлена движительная установка с каскадным электрическим преобразователем и независимыми обмотками фаз тягового электродвигателя, содержащая коммутационные аппараты, предназначенные для исключения из работы вышедшего из строя однофазного преобразователя частоты, на Фиг. 3 - представлена движительная установка с каскадным электрическим преобразователем с возможностью обеспечения питания потребителей собственных нужд, на Фиг. 4 - представлена движительная установка с каскадным электрическим преобразователем с несколькими тяговыми электродвигателями, на Фиг. 5 - представлена осциллограмма напряжения фазы электрического преобразователя которая состоит из двух однофазных преобразователей частоты питающихся от обмоток генераторного агрегата выполненных с одинаковым уровнем номинального напряжения; на Фиг. 6 - представлена осциллограмма напряжения фазы электрического преобразователя которая состоит из двух однофазных преобразователей частоты питающихся от обмоток генераторного агрегата выполненных с разным уровнем номинального напряжения; на Фиг. 7 - представлена таблица, которая отображает связь числа однофазных преобразователей частоты включенных последовательно в каждой из фаз электрического преобразователя с числом уровней напряжения на выходе каждой фазы электрического преобразователя.
На рисунках n обозначена фазность каждой из независимых обмоток генераторного агрегата, а также фазность входного выпрямителя каждого из однофазных преобразователей частоты.
Движительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 1 содержит систему управления 1, генераторный агрегат 2, автоматические выключатели 3-1÷3-N, электрический преобразователь 4 и тяговый электродвигатель 5. Автоматические выключатели 3-1÷3-N, количество которых равно произведению числа изолированных друг от друга многофазных электрических обмоток 6-1÷6-F генераторного агрегата 2 на число фазных обмоток 7-1÷7-G тягового электродвигателя 5, подключены своими выходными контактами к входам электрического преобразователя 4. Выходы электрического преобразователя 4 подключены к фазным обмоткам 7-1÷7-G тягового электродвигателя 5. Электрический преобразователь 4 состоит из фаз 8-1÷8-G электрического преобразователя 4, количество которых равно числу фазных обмоток 7-1÷7-G тягового электродвигателя 5. Каждая фаза 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 содержит однофазные преобразователи частоты 9-1÷9-F, количество которых в каждой из фаз 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 равно числу изолированных друг от друга электрических обмоток 6-1÷6-F генераторного агрегата 2. Каждый из однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F каждой фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 своим входом соединен с выходными контактами своего автоматического выключателя 3-1 (3-2÷3-N). Выходы однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F каждой из фаз 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 соединены последовательно и образуют условные начало и конец фаз 8-1÷8-G электрического преобразователя 4. Входы автоматических выключателей 3-1÷3-N подключенных к каждому однофазному преобразователю частоты 9-1÷9-F каждой фазы 8-1 (8-2÷8-G) электрического преобразователя 4 подключены каждый на выход своей многофазной электрической обмотки 6-1÷6-F генераторного агрегата 2. Тяговый электродвигатель 5 конструктивно выполнен с гальванически изолированными фазными обмотками 7-1÷7-G на статоре. Условные начала и конец каждой фазной обмотки 7-1 (7-2÷7-G) подключен на условные начало и конец своей фазы 8-1 (8-2÷8-G) электрического преобразователя 4 соответственно.
Движительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 2 может содержать коммутационные аппараты 10-1÷10-N. Количество коммутационных аппаратов 10-1÷10-N равно количеству однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F электрического преобразователя 4. Силовые контакты каждого из коммутационных аппаратов 10-1÷10-N подключены параллельно выходным контактам каждого однофазного преобразователя частоты 9-1÷9-F.
Движительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 3 может содержать дополнительные автоматические выключатели 11-1÷11-(F+2), дополнительный электрический преобразователь 12, главный распределительный щит 13, вспомогательный дизель-генератор 14, накопитель электрической энергии 15 с согласующим электрическим преобразователем 16 и потребители собственных нужд 17. Часть дополнительных автоматических выключателей 11-1÷11-F, количество которых равно числу изолированных друг от друга многофазных электрических обмоток 6-1÷6-F генераторного агрегата 2, включены между изолированными многофазными обмотками 6-1÷6-F генераторного агрегата 2 и входами дополнительного электрического преобразователя 12. Выход дополнительного электрического преобразователя 12 через дополнительный автоматический выключатель 11-(F+1) подключен к главному распределительному щиту 13, к которому подключены: через дополнительный автоматический выключатель 11-(F+2) вспомогательный дизель-генератор 14; через согласующий электрический преобразователь 16 накопитель энергии 15; потребители собственных нужд 17.
Движительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 4 может дополнительно содержать несколько тяговых электродвигателей 5-1÷5-D со своими электрическими преобразователями 4-1÷4-D и со своими группами автоматических выключателей 18-1÷18-D. Входы каждой группы автоматических выключателей 18-1÷18-D подключены к изолированным многофазным обмоткам 6-1÷6-F генераторного агрегата 2. Выходы каждой группы автоматических выключателей 18-1÷18-D подключены каждый на вход своего электрического преобразователя 4-1÷4-D. К выходу каждого электрического преобразователя 4-1 (4-2÷4-D) подключен свой тяговый электродвигатель 5-1 (5-2÷5-D).
Движительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4 может быть выполнена, так что изолированные многофазные электрические обмотки 6-1÷6-F генераторного агрегата 2 выполнены на разный уровень напряжения. Причем многофазная электрическая обмотка 6-1 генераторного агрегата 2, подключенная к однофазным преобразователям частоты 9-1 первого уровня каждой фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 выполнена на номинальное напряжение, которое составляет половину от номинального выходного напряжения каждой фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4. Номинальное напряжение изолированных многофазных обмоток 6-2 (6-3÷6-F) генераторного агрегата 2, подключенных к однофазным преобразователям частоты 9-2 (9-3÷9-F) каждого последующего уровня в два раза меньше номинального напряжения изолированных многофазных обмоток 6-1 (6-2÷6-(F-1)) генераторного агрегата 2 предыдущего уровня.
Работа движительной установки с каскадным электрическим преобразователем происходит следующим образом.
В движительной установке с каскадным электрическим преобразователем, представленной на Фиг. 1 источником электрической энергии являются изолированные многофазные электрические обмотки 6-1÷6-F генераторного агрегата 2. Следует отметить, что генераторный агрегат 2 может быть конструктивно реализован множеством способов: с использованием одного либо нескольких первичных тепловых двигателей и одного либо нескольких электрических генераторов переменного тока сидящих на одном валу с первичным тепловым двигателем. Электрические генераторы переменного тока могут быть выполнены как с одной многофазной электрической обмоткой, так и с несколькими изолированными многофазными электрическими обмотками. Следует отметить еще одну особенность возможной структуры построения генераторного агрегата 2 это то, что все электрические генераторы переменного тока могут быть реализованы на стандартных серийно выпускаемых электрических машинах. Основным требованием к генераторному агрегату 2 движительной установки является условие, чтобы все многофазные обмотки 6-1÷6-F генераторного агрегата 2 должны быть гальванически изолированы друг от друга. Благодаря такой конструкции генераторного агрегата 2 появляется возможность независимого питания однофазных преобразователей частоты 9-1 (9-2÷9-F) каждой из фаз 8-1 (8-2÷8-G) электрического преобразователя 4. Однако следует отметить, что для безаварийной работы электрического преобразователя 4 и всей движительной установки алгоритмически должны быть исключены режимы работы ключей однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F фаз 8-1 (8-2÷8-G) электрического преобразователя 4 которые могут привести к возникновению короткого замыкания многофазных электрических обмоток 6-1 (6-2÷6-(F-1)) генераторного агрегата 2.
d
d
d
При этом каждая фаза 8-1 (8-2÷8-G) электрического преобразователя 4 выполнена с использованием простых и надежных однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F соединенных своими выходными клеммами последовательно и подключенные каждая на свою фазную обмотку 7-1 (7-2÷7-G) тягового электродвигателя 5. При этом каждый из однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F выполнен на стандартных низковольтных компонентах и может иметь различную схему. На выходе каждого однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F могут быть синтезированы три различных мгновенных уровня выходного напряжения: U, 0 и -U где U - средний уровень напряжения на выходе выпрямителя напряжения однофазного преобразователя частоты 9-1÷9-F. При этом мгновенные уровни напряжении синтезируемые однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F формируются согласованно для того чтобы получить требуемый уровень мгновенного фазного напряжения на выходе фазы 8-1 (8-2÷8-G) электрического преобразователя 4 для независимого питания каждой из фазных обмоток 7-1 (7-2÷7-G) тягового электродвигателя 5. Так при одинаковом номинальном напряжении каждой из изолированной многофазной электрической обмотки 6-1 (6-2÷6-F) генераторного агрегата 2 и при количестве последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F электрического преобразователя 4 равным F, в каждой из фаз 8-1 (8-2÷8-G) электрического преобразователя 4, обеспечивается 3+2⋅(F-1) уровней выходного фазного напряжения. Так при двух однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 движительной установки возможно получение пяти уровней фазного напряжения. На Фиг. 5 представлена осциллограмма напряжения фазы 8-1 (8-2÷8-G) электрического преобразователя 4 которая состоит из двух однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F питающихся от обмоток 6-1÷6-F генераторного агрегата 2 выполненных с одинаковым уровнем номинального напряжения. При трех однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 движительной установки возможно получение семи уровней фазного напряжения и так далее. Благодаря такой топологии электрического преобразователя 4 его фазами 8-1÷8-G можно синтезировать практически синусоидальное напряжение для питания фазных обмоток 7-1 (7-2÷7-G) тягового электродвигателя 5. Следует отметить, что напряжение, синтезируемое одной из фаз 8-1 электрического преобразователя 4 формируется независимо от напряжении формируемых другими фазами 8-2÷8-G электрического преобразователя 4. Но напряжения синтезируемые фазами 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 должны быть согласованы для осуществления правильной работы тягового электродвигателя 5. Такая структура движительного комплекса позволяет значительно повысить надежность, так как выход любого одного либо нескольких элементов схемы не приводят к отказу всего движительного комплекса. Такая движительная установка позволит получить лучшие вибро-шумовые характеристики при реализации тягового электропривода за счет получения практически синусоидального напряжения на выходах каскадного преобразователя частоты. При этом, несмотря на то, что частота коммутации в каждом однофазном преобразователе частоты 9-1÷9-F ограничена частотой коммутации используемых полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей, появляется возможность сдвига мгновенного синтезируемого напряжения каждым из однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F при этом эквивалентная частота коммутации напряжения приложенного к фазной обмотке 7-1 (7-2÷7-G) тягового электродвигателя 5 увеличивается кратно числу однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F в каждой из фаз 8-1÷8-G электрического преобразователя 4. Увеличение эквивалентной частоты коммутации ведет к уменьшению потерь на переключение силовых ключей в каждом из однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F. Предложенная структура фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 позволяет снизить скорость нарастания напряжения (dU/dt) на фазной обмотке 7-1 (7-2÷7-G) тягового электродвигателя 5 и помогает избежать резонансов электромагнитных процессов происходящих в движительном комплексе.
В долевых режимах работы движительной установки с каскадным электрическим преобразователем могут быть использованы одна или несколько изолированных многофазных электрических обмоток 6-1 (6-2÷6-F) генераторного агрегата 2 либо две или несколько фазных обмоток 7-1 (7-2÷7-G) тягового электродвигателя 5. Следует отметить, что в таком режиме тяговый электродвигатель 5 будет работать с мощностью ограниченной мощностью работающих однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F электрического преобразователя 4.
На случай отказа одного из однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F в схеме движительной установки с каскадным электрическим преобразователем, изображенной на Фиг. 2 предусмотрена установка коммутационных аппаратов 10-1÷10-N. При возникновении аварийной ситуации или отказа одного из однофазных преобразователей частоты 9-1 (9-2÷9-N) коммутационный аппарат 10-1 (10-2÷10-N) зашунтирует выходные контакты неисправного однофазного преобразователя частоты 9-1 (9-2÷9-N) исключая его из последовательной цепи фазы 8-1 (8-2÷8-G) электрического преобразователя 4. При этом исправные однофазные преобразователи частоты 9-1÷9-F могут продолжать работать и синтезировать требуемые уровни напряжении электрического преобразователя 4 для питания фазных обмоток 7-1÷7-G тягового электродвигателя 5.
Для осуществления питания потребителей собственных нужд 17 от генераторного агрегата 2 движительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схема которой представлена на Фиг. 3 снабжена дополнительным электрическим преобразователем 12, который согласует напряжения, вырабатываемые генераторным агрегатом 2 и напряжением потребителей собственных нужд 17. Для дозагрузки по мощности генераторного агрегата 2 движительная установка с каскадным электрическим преобразователем может быть снабжена накопителем электрической энергии 15 с согласующим электрическим преобразователем 16. Накопитель электрической энергии 15 будет запасать энергию в долевых режимах работы движительной установки, когда происходит работа с малой нагрузкой на валу тягового электродвигателя 5. В те моменты времени, когда идет разгон тягового электродвигателя 5, электрическая энергия для питания потребителей собственных нужд 17 будет потребляться из накопителя энергии 15. Согласующий электрический преобразователь 16 осуществляет управление потоками энергии между источниками и потребителями данной энергосистемы. В случае стоянки транспортного средства, когда нет необходимости в работе генераторного агрегата 2, электрическая энергия для питания потребителей собственных нужд 17 может быть получена от накопителя электрической энергии 15 через согласующий электрический преобразователь 16 либо от вспомогательного дизель-генератора 14. Автоматические выключатели 11-1÷11-(F+2) осуществляют набор различных вариантов схемы для реализации всевозможных режимов работы движительной установки транспортного средства.
Предложенные схемы движительной установки транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем позволяют реализовать электрическую передачу на транспортном средстве практически неограниченной мощности, поскольку напряжение для питания тягового электродвигателя 5 набирается из напряжений низковольтных однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F, которые имеют простую схемотехническую реализацию и высокую степень надежности. Таким образом, увеличение установленной мощности движительного комплекса осуществляется увеличением питающего напряжения, которое набирается из напряжений элементарных ячеек - однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F. Еще одним достоинством предложенной движительной установки транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем является ее модульная структура, которая обеспечивает гибкость построения движительной установки транспортного средства с различным исполнением и различным числом тяговых электродвигателей 5, с различным номинальным уровнем напряжении как генераторного агрегата 2, так и фазных обмоток 7-1÷7-G тягового электродвигателя 5.
На Фиг. 4 изображена движительная установка транспортного средства, в которой предусмотрена одновременная работа нескольких тяговых электродвигателей 5-1÷5-D со своими электрическими преобразователями 4-1÷4-D и со своими группами автоматических выключателей 18-1÷18-D. Следует отметить что тяговый электродвигатель 5 конструктивно может быть выполнен многообмоточным как в одноякорном, так и многоякорном исполнении.
С целью повышения качества синтезируемого напряжения на выходе каждой фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 движительная установка с каскадным электрическим преобразователем, схемы которой представлены на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4 может быть выполнена так, что изолированные многофазные электрические обмотки 6-1÷6-F генераторного агрегата 2 выполнены на разный уровень номинального напряжения. При этом многофазная электрическая обмотка 6-1 генераторного агрегата 2, подключенная к однофазным преобразователям частоты 9-1 первого уровня каждой фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 выполнена на номинальное напряжение, которое составляет половину от номинального выходного напряжения каждой фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4. Номинальное напряжение изолированных многофазных обмоток 6-2 (6-3÷6-F) генераторного агрегата 2, подключенных к однофазным преобразователям частоты 9-2 (9-3÷9-F) каждого последующего уровня в два раза меньше номинального напряжения изолированных многофазных обмоток 6-1 (6-2÷6-(F-1)) генераторного агрегата 2 предыдущего уровня. На Фиг. 6 представлена осциллограмма напряжения фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 которая состоит, из двух последовательно соединенных однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F, которые выполнены с различными уровнями напряжения питания. Как видно на осциллограмме Фиг. 6 такой электрический преобразователь 4 позволяет синтезировать девять уровней мгновенных напряжении при формировании напряжения питания каждой фазной обмотки 7-1÷7-G тягового электродвигателя 5. Из сравнения осциллограмм изображенных на Фиг. 5 и Фиг. 6 видно, что форма синтезируемого напряжения фазы 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 которая состоит, из двух последовательно соединенных однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F, которые выполнены с различными уровнями напряжения питания более приближена к синусоиде. На Фиг. 7 представлена таблица, которая наглядно отображает связь числа однофазных преобразователей частоты 9-1÷9-F, выполненных на разный уровень напряжении, включенных последовательно в каждой из фаз 8-1÷8-G электрического преобразователя 4 с числом уровней напряжения на выходе каждой из фаз 8-1÷8-G электрического преобразователя 4.
Таким образом, предложенная движительная установка транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем обладает следующими достоинствами:
- высокая степень надежности благодаря простым, отработанным и низковольтным однофазным преобразователям частоты, а также возможностью безболезненного исключения из работы любого из элементов схемы либо нескольких из них;
- значительное уменьшение числа гальванически изолированных обмоток генераторного агрегата (в количество раз равное числу изолированных друг от друга обмоток фаз тягового электродвигателя) за счет отсутствия электрической связи между обмотками фаз тягового электродвигателя;
- исключение силового согласующего трансформатора рассчитанного на полную мощность электропривода движительного комплекса транспортного средства (предложенная структура исключает недостатки использования каскадного электрического преобразователя в общепромышленном применении);
- высокая энергетическая эффективность, повышение коэффициента загрузки и повышение ресурса генераторного агрегата за счет возможности использования его в режиме обеспечения требуемой текущей мощности на валу тягового электродвигателя;
- высокое качество синтезируемого напряжения для питания фазных обмоток тягового электродвигателя, низкий уровень гармоник и нелинейных искажении в форме напряжения и тока;
- модульность предложенной структуры обеспечивает унификацию и стандартизацию используемых элементов, а также простоту диагностики, ремонта и замены вышедшего из строя элемента;
- масштабируемость обеспечивается гибкостью построения системы с возможностью повышения напряжения питания тягового электродвигателя путем подключения дополнительных однофазных преобразователей частоты;
- использование низковольтных элементов и компонентов электрического преобразователя при этом такая структура позволяет управлять мощной, высоковольтной нагрузкой;
- увеличение эквивалентной частоты коммутации электрического преобразователя по отношению к частоте коммутации каждого из однофазных преобразователей частоты;
- снижение скорости нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке и помогает избежать резонансов электромагнитных процессов происходящих в электроприводе тягового электродвигателя;
- каждая фаза электрического преобразователя собирается из простых однофазных преобразователей частоты;
- возможность использования высокооборотных первичных тепловых двигателей генераторного агрегата, которые обладают лучшими массогабаритными и энергетическими характеристиками, а так же значительно увеличенным ресурсом;
- предложенная структура позволяет реализовать электропривод движительного комплекса транспортного средства практически неограниченной мощности при ограничениях, наложенных на параметры используемых силовых ключей в однофазных электрических преобразователях.