Преобразователь тяговый локомотива
LOCOMOTIVE TRACTION CONVERTER

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности - к преобразованию переменного либо постоянного тока в стабильный по напряжению постоянный с последующим преобразованием его в регулируемый постоянный и переменный для питания коллекторных тяговых двигателей, собственных нужд локомотива и внешних потребителей транспортных средств, в частности маневровых тепловозов ТЭМ31Г с гибридной силовой установкой.
Из уровня техники известен силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель-генератора с системой охлаждения по патенту РФ №73566 на полезную модель с датой приоритета от 29.01.2008 г., содержащий модульные блоки с образованием каналов преобразования электрической энергии, соединенных внутренними токопроводящими шинами, систему контроля и управления каналами преобразования электрической энергии в режиме электрического торможения.
Недостатком силового полупроводникового преобразователя является отсутствие возможности рекуперативного торможения.
Известна комбинированная (гибридная) энергоустановка транспортного средства на базе мотор-генераторной установки по заявке №2008147043 на выдачу патента РФ на изобретение с датой приоритета от 28.11.2008, включающая в себя тяговый электродвигатель, подключенный к накопителю энергии с возможностью потребления его энергии в процессе движения транспортного средства и рекуперации энергии в процессе торможения транспортного средства. Первичный источник электрической энергии для зарядки накопителя энергии представляет собой двигатель-генераторную установку с системой управления. Тяговый электродвигатель подключен к накопителю энергии через преобразователь напряжения (инвертор).
Недостатком является наличие накопителя в буфере, что не позволяет обеспечить номинальные режимы работы накопителя и реализовать его защиты, а также отсутствует возможность питания от внешнего источника напряжения.
Известен двухдвигательный тяговый электропривод на базе двигателей независимого возбуждения из патента РФ №2332316 на изобретение с датой приоритета от 27.12.2006, содержащий общий или же индивидуальные статические преобразователи в якорных цепях, реверсивный преобразователь в цепи обмоток возбуждения.
Недостатками технического решения являются отсутствие возможности управления вспомогательными машинами и отсутствие автономного источника энергии для подзарядки батареи во время эксплуатации тепловоза.
Из описания изобретения «Способ работы маневрового тепловоза с энергетической установкой» по патенту РФ №2428335 с датой приоритета от 05.05.2010 известен тепловоз с энергетической установкой, который состоит из дизель-генератора большой размерности, дизель-генератора малой размерности, тяговых двигателей реверсивного типа, силовой аккумуляторной батареи. Изобретение направлено на оптимизацию режимов работы энергетической установки тепловоза за счет комбинации подключения дизель-генераторов и силовой аккумуляторной батареи. Электродвигатели получают питание как от дизель-генератора, так и от силовой аккумуляторной батареи. На малых нагрузках работают дизель-генераторы малой размерности с силовой аккумуляторной батареей. На больших нагрузках - два дизель-генератора и силовая аккумуляторная батарея. Рекуперацию электроэнергии производят в режиме торможения тепловоза, переводя тяговые двигатели в генераторный режим.
Недостатком технического решения, которое раскрыто в описании данного изобретения, является отсутствие возможности реализации защиты аккумуляторной батареи при внештатных ситуациях работы тепловоза.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель-генератора с системой вертикального воздушного охлаждения» по патенту РФ №2342260 с датой приоритета от 29.11.2007 г., содержащее группы силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков, собранных в шесть трехфазных электрических тиристорных мостов с образованием первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого каналов преобразования электрической энергии, соединенных с внутренними фазными токопроводящими шинами трехфазного переменного тока и шинами выпрямленного тока каждого канала преобразования. При этом содержит блок управления каналами преобразования с элементами защиты каждого канала.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности регулирования тока возбуждения и работы в режиме рекуперативного торможения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энергетической эффективности локомотива (снижение удельного расхода топлива и количества потребленной электроэнергии).
Техническими результатами изобретения являются:
- обеспечение постоянства величины напряжения на промежуточной шине, требуемой и необходимой для питания частотных преобразователей для общепромышленных асинхронных двигателей в широком диапазоне напряжений первичных источников питания;
- расширение диапазона регулирования силы тяги за счет регулирования возбуждения тяговых двигателей посредством управления токами возбуждения тяговых двигателей;
- возможность обеспечения работы тяговых двигателей в режиме электрического рекуперативного торможения,
- оптимизация режимов работы энергетической установки локомотива за счет рекуперирования тормозной энергии и повторного использования ее на тягу и на собственные нужды,
- повышение КПД локомотива (снижение расхода топлива и количества потребленной электроэнергии).
Технические результаты обеспечиваются за счет того, что преобразователь тяговый локомотива содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, которые представлены зарядно-разрядным устройством, n-числом конверторов, устройством управления током возбуждения, первичным источником питания, соединенных между собой промежуточной шиной питания. При этом зарядно-разрядный преобразователь, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения и первичный источник питания соединены между собой. Зарядно-разрядный преобразователь, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения, первичный источник питания содержат программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление и защиту собственного канала питания.
Устройство управления током возбуждения может включать в себя блок гальванической развязки и блок управления током возбуждения.
В качестве первичного источника питания может быть преобразователь частоты дизель-генератора либо источник питания от внешней сети.
Преобразователь тяговый локомотива может содержать инвертор для питания собственных нужд локомотива и внешних потребителей, устройство электродинамического торможения, модуль охлаждения.
К каналам преобразования электрической энергии, соединенным промежуточной шиной питания, относятся:
- каналы заряда и разряда накопителя энергии (зарядно-разрядный преобразователь);
- каналы управления током якоря (конверторы);
- каналы управления током возбуждения (устройство управления током возбуждения);
- каналы первичного питания (источник питания от внешней сети и/или преобразователь частоты дизель-генератора);
- каналы питания собственных нужд локомотива и внешних потребителей (инвертор);
- канал электродинамического торможения (устройство электродинамического торможения).
На фигуре 1 представлена структурная схема преобразователя тягового локомотива.
Преобразователь тяговый 1 локомотива содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, соединенных между собой промежуточной шиной питания 2. Каналы заряда и разряда накопителя энергии (аккумуляторная или конденсаторная батарея) формируются зарядно-разрядным преобразователем 3. Каналы первичного питания формируются источником питания от внешней сети 4 и/или преобразователем частоты дизель-генератора 5. Каналы управления током якоря формируются n-числом конверторов 6. Каналы управления током возбуждения формируются устройством управления током возбуждения 7, который может включать в себя блок гальванической развязки 8 и блок управления током возбуждения 9. Каналы питания собственных нужд локомотива и внешних потребителей формируются инвертором 10. Канал электродинамического торможения формируется устройством электродинамического торможения 11. Зарядно-разрядный преобразователь 3, первичный источник питания 4 и/или 5, n-число конверторов 6 и устройство управления током возбуждения 8 соединены между собой промежуточной шиной питания 2. Элементы 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11 содержат систему диагностики и систему автоматического регулирования выходных параметров для осуществления внутренней диагностики и передачи результатов диагностирования в систему управления локомотива за счет программного обеспечения, выполняющего программный контроль. Преобразователь тяговый 1 может содержать модуль охлаждения 12, который может быть выполнен с воздушным охлаждением или с принудительным воздушным охлаждением с замкнутыми жидкостными контурами.
Преобразователь тяговый локомотива работает следующим образом.
Зарядно-разрядный преобразователь 3 обеспечивает преобразование напряжения постоянного тока на промежуточной шине питания в требуемое напряжение или ток для заряда накопителя энергии, направляет рекуперированную при электрическом торможении энергию в накопитель энергии. Зарядно-разрядный преобразователь 3 обеспечивает питание промежуточных шин постоянного тока от накопителя энергии в режиме тяги и на стоянке.
Энергия для заряда накопителя энергии поступает от источника питания от внешней сети и/или от преобразователя частоты дизель-генераторной установки, либо от конверторов в режиме рекуперативного торможения.
Входное трехфазное напряжение с дизель-генератора локомотива поступает на вход преобразователя частоты дизель-генератора 5, который преобразует его в напряжение постоянного тока и выдает на промежуточную шину питания для питания составных частей преобразователя тягового 1.
В режиме рекуперативного торможения дизель-генератор может использоваться как потребитель рекуперированной энергии.
Входное напряжение внешней сети (контактная сеть либо выпрямительная установка стационарного зарядного устройства) поступает на вход источника питания 4, который преобразует его в напряжение постоянного тока и выдает на промежуточную шину питания для питания составных частей преобразователя тягового 1.
Конверторы 6 управляют токами якорей тяговых двигателей и обеспечивают плавное регулирование напряжения либо тока якорей тяговых двигателей.
Устройство управления током возбуждения 7 обеспечивает регулирование тока в обмотках возбуждения тяговых двигателей, обеспечивая гальваническую развязку от якорных цепей, и возможность реверсирования тока в обмотках возбуждения.
Устройство управления током возбуждения 7 работает следующим образом: блок гальванической развязки 8 формирует гальванически развязанное постоянное напряжение, которое подается на вход блока управления током возбуждения 9. Блок 9 формирует и выдает требуемое значение тока в обмотки возбуждения тяговых двигателей.
Задавая с помощью конверторов 6 требуемое значение тока якоря по уставкам в якорную цепь, а с помощью устройства управления током возбуждения 7 требуемое значение тока возбуждения, формируется необходимый момент на валу тяговых двигателей.
Инвертор 10 и устройство электродинамического торможения 11 могут быть подключены к шинам постоянного тока преобразователя тягового 1. Инвертор 10 обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное для питания компрессора и защиту подключенного компрессора в процессе его работы. Устройство электродинамического торможения 11 обеспечивает передачу энергии, получаемой при рекуперативном торможении на внешний тормозной резистор.
Зарядно-разрядный преобразователь 3, источник питания от внешней сети 4 и преобразователь частоты дизель-генераторной установки обеспечивают постоянного напряжение на промежуточной шине питания.
Обеспечение постоянства стабильного напряжения шины постоянного тока позволяет производить питание внешних потребителей без дополнительного повышения напряжения, а также реализует возможность питания частотных преобразователей для общепромышленных асинхронных электродвигателей вспомогательных машин.
Управление токами возбуждения обеспечивает возможность создания большой силы тяги меньшим током якоря при работе на малых скоростях, а также возможность рекуперативного торможения.
Применение зарядно-разрядного преобразователя повышает энергетическую эффективность локомотива (снижение удельного расхода топлива и количества потребленной электроэнергии) за счет использования аккумулированной в режиме рекуперативного торможения энергии на тягу и собственные нужды, а также за счет оптимизации режимов работы дизель-генераторной установки.
Выполнение преобразователя тягового локомотива, который содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, соединенных между собой промежуточной шиной питания и сформированных зарядно-разрядным устройством, n-числом конверторов, устройством управления током возбуждения, источником питания от внешней сети и/или преобразователем частоты дизель-генератора, при этом зарядно-разрядное устройство, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения, источник питания от внешней сети и/или преобразователь частоты дизель-генератора содержат программное обеспечение, осуществляющее управление и защиту собственного канала питания, обеспечивают возможность работы тяговых двигателей в режиме электрического рекуперативного торможения, постоянство напряжения электропитания локомотива в широком диапазоне напряжений на входах первичных источников питания, расширение диапазона регулирования силы тяги, оптимизацию режимов работы энергетической установки локомотива, повышение КПД локомотива (снижение расхода топлива и количества потребленной электроэнергии).