СПОСОБ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ТЯГОВОГО КОЛЛЕКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR WEAKENING THE FIELD OF TRACTION COLLECTOR MOTOR OF AC ELECTRIC LOCOMOTIVE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть применено на транспортных средствах с коллекторными тяговыми двигателями пульсирующего тока.
Уровень техники
В настоящее время на всех отечественных электровозах переменного тока применяются системы ослабления поля (ОП) тягового электродвигателя (ТЭД) не соответствующие современным требованиям по энергоэффективности. Для организации тяжеловесного движения поездов и повышения технической скорости требуется повышать типовую мощность электровоза для создания необходимой силы тяги, при которой возникают дополнительные потери в тяговой сети. В связи с этим задача совершенствования системы ОП ТЭД является актуальной, так как позволит повысить энергетические показатели электровоза.
Существуют электровозы переменного тока, имеющие многозонный тиристорный выпрямительно-инверторный преобразователь, подключенный к коллекторным тяговым двигателям, при этом для увеличения скорости предусмотрены три дополнительных ступени ослабления поля, которые реализуются путем подключения резисторов ослабления поля параллельно обмотке возбуждения тягового двигателя и индуктивного шунта, предназначенного для исключения бросков тока и облегчения условий коммутации ТЭД при включении режима ослабления поля, колебаниях напряжения в контактной сети или его восстановлении после кратковременного снятия [Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Тушканов Б. А., Пушкарев Л.А., Позднякова Л.А. и др. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с.]. В настоящее время данное устройство применяется на всех отечественных электровозах переменного тока [Электровоз магистральный 2ЭС5К (ЗЭС5К). Руководство по эксплуатации. Книга 1. Описание и работа. Электрические схемы. ОАО «ВЭлНИИ», 2006 г., 339 с.].
Недостатком такого способа является то, что значительная мощность рассеивается на резисторах, что обуславливает сравнительно низкий КПД в режиме ослабления поля.
Существует выпрямительно-инверторный преобразователь [Патент на изобретение № RU 2322749 С1. Заявка №2006140957/09 от 20.11.2006, опубликовано: 20.04.2008, Бюл. №11], в котором параллельно выходу выпрямительно-инверторного преобразователя и тягового двигателя в режиме тяги подключен шунтирующий диод, повышающий коэффициент мощности. Недостатком такого решения является то, что возможность повышения энергоэффективности ОП ТЭД не реализуется.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство ослабления магнитного поля тягового электродвигателя электровоза переменного тока [Патент на изобретение № RU 2700243 С1. Заявка №2018144993 от 19.12.2018, опубликовано: 13.09.2019, Бюл. №26], в котором для шунтирования поля применен IGBT транзистор. Недостатком такого способа является достаточно низкий коэффициент мощности, который можно повысить.
Общим техническим результатом применения предлагаемого способа ослабления поля и устройства для его реализации является повышение КПД и коэффициента мощности электровоза переменного тока с коллекторным тяговым приводом.
Раскрытие сущности изобретения
Предлагаемый способ ослабления поля коллекторного тягового двигателя электровоза переменного тока заключается в том, что часть энергии обмотки возбуждения передается и накапливается в индуктивности, включенной последовательно с силовым ключом, который включен на интервале времени от 1 мс после перехода сетевого напряжения через ноль до 9 мс полупериода сетевого напряжения, а при отключении ключа, на интервале от 9 мс до окончания полупериода сетевого напряжения и до 1 мс после перехода сетевого напряжения через ноль, передается на выход выпрямительно-инверторного преобразователя.
Устройство, реализующее предлагаемый способ ослабления поля коллекторного тягового двигателя электровоза переменного тока может быть выполнено из входного диода, подключенного анодом к положительному выводу обмотки возбуждения, индуктивности, подключенной к катоду входного диода, силового ключа, подключенного к индуктивности и отрицательному выводу обмотки возбуждения, выходного диода, подключенного анодом к узлу соединения индуктивности и силового ключа, а катодом - к положительному выводу выпрямительно-инверторного преобразователя, шунтирующего диода, подключенного анодом к узлу соединения силового ключа и отрицательного вывода обмотки возбуждения, а катодом - к узлу соединения индуктивности, силового ключа, и анода выходного диода, а также системы управления силовым ключом.
Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволят повысить КПД и коэффициент мощности электровоза переменного тока с коллекторным тяговым приводом.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема силовых цепей электровоза в режиме тяги по заявляемому способу ослабления поля.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы формирования импульсов управления ключом 7.
Осуществление изобретения
Устройство для реализации способа ослабления поля, подключенное к коллекторному тяговому электродвигателю электровоза в режиме тяги показано на фиг. 1. Выпрямительно-инверторный преобразователь электровоза 1 запитывается от тягового трансформатора 2, в свою очередь запитанного от сети переменного тока напряжением 25 кВ через токоприемник 12. К выходу выпрямительно-инверторного преобразователя подключен тяговый двигатель, состоящий из якоря 3 и обмотки возбуждения 4. Устройство, подключенное к обмотке возбуждения коллекторного тягового двигателя, состоит из входного диода 5, подключенного анодом к положительному выводу обмотки возбуждения 4, индуктивности 6, подключенной к катоду входного диода 5, силового ключа 7, подключенного к индуктивности 6 и отрицательному выводу обмотки возбуждения 4, выходного диода 9, подключенного анодом к узлу соединения индуктивности 6 и силового ключа 7, а катодом - к положительному выводу выпрямительно-инверторного преобразователя 1, шунтирующего диода 10, подключенного анодом к узлу соединения силового ключа 7 и отрицательного вывода обмотки возбуждения 4, а катодом - к узлу соединения индуктивности 6, силового ключа 7, и анода выходного диода 9, а также системы управления силовым ключом 8.
Техническим результатом использования устройства является возможность выполнения способа ослабления поля.
В качестве силового ключа 7 может использоваться IGBT транзистор. Техническим результатом является возможность исполнения устройства на современной электронной базе.
Между узлом соединения катода входного диода 5, индуктивности 6 и узлом соединения отрицательного вывода обмотки возбуждения 4, силового ключа 7, анода шунтирующего диода 10 может быть подключен конденсатор 11 для улучшения переходных процессов.
Техническим результатом является увеличение надежности устройства.
Для работы схемы может быть использован следующий алгоритм, проиллюстрированный на фиг. 2.
Система управления силовым ключом 8 замыкает ключ на интервале времени от 0 мс до 1 мс и размыкает его на интервале от 9 мс до 10 мс полупериода сетевого напряжения после перехода сетевого напряжения через ноль при частоте сети 50 Гц.
На интервале времени замкнутого ключа 7 ток обмотки возбуждения 4 частично шунтируется через цепь входного диода 5, индуктивность 6, силового ключа 7, а энергия - накапливается в индуктивности 6. При размыкании ключа на интервале времени от 9 мс до окончания полупериода сетевого напряжения и до 1 мс после перехода сетевого напряжения через ноль, ток индуктивности через выходной диод 9 передается на выход выпрямительно-инверторного преобразователя 1. Шунтирующий диод 10 предназначен для увеличения коэффициента мощности схемы путем недопущения отрицательного напряжения на выходе выпрямительно-инверторного преобразователя.