ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
TRACTIONAL ELECTRIC DRIVE FOR VEHICLE

Изобретение относится к транспортным средствам, в частности к тяговому электроприводу, и может быть применено на электротранспортных средствах с двигателями постоянного тока, питаемых от генератора переменного тока.
Известен тяговый электропривод автономного транспортного средства, содержащий генератор переменного тока с изолированными друг от друга m-фазными обмотками на статоре с нулевыми выводами и по числу обмоток статора подключенные к их силовым выводам управляемые мостовые выпрямители, к которым подключены тяговые двигатели с последовательным возбуждением, обмотка якоря каждого из которых зашунтирована соединенными последовательно тормозным резистором и диодом, и группы управляемых вентилей, в каждой из которых одни из одноименных выводов вентилей объединены, он снабжен на каждую обмотку статора управляемым вентилем, включенным между нулевым выводом обмотки статора и точкой соединения обмотки возбуждения тягового двигателя и управляемого мостового выпрямителя, причем к точке соединения обмоток тягового двигателя подключена точка соединения одних из выводов группы управляемых вентилей /SU авторское свидетельство №1197880, кл. B60L 11/06, опубл. в 1985 г./.
Недостатком тягового электропривода является то, что число обмоторенных осей транспортного средства ограничено двумя осями.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, содержащий приводимый во вращение тепловым двигателем тяговый синхронный генератор с двумя статорными трехфазными обмотками, подключенными одними выводами к выводам переменного тока тиристорных выпрямителей, один из выводов постоянного тока которых соединен с одними из выводов обмоток якорей тяговых электродвигателей, параллельно которым подключены цепи из последовательно соединенных тормозных резисторов и разделительных диодов, группы тиристоров соединены одними из электродов с выводами переменного тока тиристорных выпрямителей, и коммутационные элементы, включенные в цепь обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, он снабжен дополнительной группой тиристоров и дополнительными разделительными диодами, соединенными последовательно и подключенными общими электродами с другими выводами обмоток якорей тяговых электродвигателей, а другими электродами - с другими выводами постоянного тока одного и другого тиристорных выпрямителей и с контактами четырех коммутационных элементов, соединенных с обмотками возбуждения тяговых электродвигателей, при этом одни из выводов трехфазных обмоток тягового синхронного генератора соединены о электродами дополнительной группы тиристоров, а другие выводы - с контактами пятого коммутационного элемента.
Известный тяговый привод позволяет обеспечивать расширение диапазона тяговых и тормозных усилий, обеспечивать усиление возбуждения тяговых электродвигателей при трогании, реостатное торможение (SU авторское свидетельство №1532353, кл. В60L 11/06, опубл. в 1989 г.).
Недостатком известного тягового привода является то, что при отсутствии режима боксования возникают потенциальные условия для включения диодов подпитки обмоток возбуждения из-за технологических расхождений параметров тяговых электродвигателей, что способствует появлению существенных расхождений, неравномерности в токах нагрузки последовательно включенных якорей тяговых электродвигателей. При отсутствии режима боксования для устранения этого нежелательного явления необходимо индивидуальное регулирование выходного напряжения на каждом тяговом силовом управляемом выпрямителе до величины, достаточной для устранения потенциальных условий включения диодов подпитки обмоток возбуждения.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, принятый за прототип, содержащий приводимый во вращение тепловым двигателем тяговый синхронный генератор с двумя статорными трехфазными обмотками, к которым подключены управляемые мостовые выпрямители, по числу тяговых электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением электропривода транспортного средства, каждый из которых соединен обмоткой якоря и обмоткой возбуждения через коммутационные элементы обмотки возбуждения с выходом своего управляемого выпрямителя, параллельно обмоткам якорей электродвигателей через разделительные диоды и коммутационные элементы подключены тормозные резисторы, разделительные диоды соединены с плюсовыми шинами управляемых мостовых выпрямителей и последовательно с каждым разделительным диодом включен уравнивающий тормозной резистор, каждый из которых соединен с одним общим входом основного тормозного резистора, другой вход основного тормозного резистора через другие дополнительные уравнивающие тормозные резисторы и коммутационные элементы соединен с обмотками якорей тяговых электродвигателей, а обмотки возбуждения тяговых электродвигателей через коммутационные элементы соединены последовательно и подключены к выходу одного из управляемых трехфазных мостовых выпрямителей /RU патент №2317217, кл. B60L 11/06, опубл. в 2008 г./.
Недостатком известного тягового электропривода является то, что использование управляемых трехфазных мостовых выпрямителей для питания тяговых электродвигателей, многоконтактного тормозного переключателя для соединения цепей возбуждения и цепей нагрузки тяговых электродвигателей на тормозные резисторы в режиме торможения, контакторов ступенчатого ослабления поля тяговых электродвигателей в режиме тяги усложняет и удорожает тяговый электропривод.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение и удешевление тягового электропривода при сохранении возможности индивидуального регулирования подводимой тяговой мощности к каждому тяговому электродвигателю в целях повышения тяговых свойств тепловоза, обеспечение реостатного торможения транспортного средства в режиме самовозбуждения тормозящих тяговых электродвигателей, возможность плавного регулирования поля тяговых электродвигателей и уменьшения тепловых потерь в силовой схеме электропривода за счет исключения из схемы электропривода резисторов ослабления поля и уменьшения тока в якорных цепях тяговых электродвигателей.
Указанный технический результат достигается тем, что в тяговом электроприводе транспортного средства, содержащем приводимый во вращение тепловым двигателем тяговый синхронный генератор с двумя статорными трехфазными обмотками, подключенными выводами к двум трехфазным мостовым выпрямителям, однополярные выходы постоянного тока которых соединены на плюсовую и минусовую шины, к которым по числу обмоторенных осей транспортного средства через коммутационные элементы подключены тяговые электродвигатели последовательного возбуждения, параллельно которым подключены цепи из последовательно соединенных разделительных диодов, уравнивающих и основного тормозных резисторов, каждый тяговый электродвигатель подключен к шинам постоянного тока от трехфазных мостовых выпрямителей через два коммутационных элемента, один из которых подключен к обмотке якоря и плюсовой шине от мостовых выпрямителей, другой полупроводниковый коммутационный элемент, зашунтированный в непроводящем направлении диодом, подключен к минусовой шине от трехфазных мостовых выпрямителей и к коммутационным элементам обмотки возбуждения тягового электродвигателя, причем обмотка возбуждения тягового электродвигателя при любом включении ее коммутационных элементов зашунтирована диодом, включенным в непроводящем направлении, а параллельно цепи обмотки возбуждения, при любом включении ее коммутационных элементов, последовательно соединенной с обмоткой возбуждения полупроводникового коммутационного элемента, включен другой полупроводниковый коммутационный элемент, зашунтированный диодом, включенным в непроводящем направлении, а плюс обмотки возбуждения при любом включении ее коммутационных элементов через диод, включенный в непроводящем направлении, соединен с плюсовой шиной от трехфазных мостовых выпрямителей и через другую последовательную цепь, состоящую из резистора подпитки, разделительного диода и коммутационного элемента, соединен с плюсовой шиной от трехфазных мостовых выпрямителей.
На чертеже изображена принципиальная схема тягового электропривода транспортного средства.
Тяговый электропривод транспортного средства (см. чертеж), содержащий приводимый во вращение тепловым двигателем 1 тяговый синхронный генератор 2 с двумя статорными трехфазными обмотками 3 и 4, подключенными выводами к двум трехфазным мостовым выпрямителям 5 и 6, содержащим выпрямительные диоды 7…18. Однополярные выходы постоянного тока трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6 соединены на шины плюсовую 19 и минусовую 20 постоянного тока, к которым по числу обмоторенных осей транспортного средства, например двух, через коммутационные элементы 21, 22 (элементы поездных контакторов) и 23, 24 (полупроводниковые коммутационные элементы) подключены два тяговых электродвигателя последовательного возбуждения: один - с обмоткой якоря 25 и обмоткой возбуждения 26, другой - с обмоткой якоря 27 и обмоткой возбуждения 28. Обмотка возбуждения 26 одного тягового двигателя соединена с его обмоткой якоря 25 и коммутационным элементом 23 в зависимости от направления движения транспортного средства через коммутационные элементы 29, 30 или 31, 32 реверсора. Обмотка возбуждения 28 другого тягового двигателя соединена с его обмоткой якоря 27 и коммутационным элементом 24 в зависимости от направления движения транспортного средства через коммутационные элементы 33, 34 или 35, 36 реверсора.
Параллельно тяговым электродвигателям подключены цепи из последовательно соединенных разделительных диодов 37 и 38, уравнивающих тормозных резисторов 39 и 40 и основного тормозного резистора 41. Каждый тяговый электродвигатель подключен к шинам постоянного тока 19 и 20 от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6 через два коммутационных элемента. Так один тяговый электродвигатель с обмоткой якоря 25 подключен через один коммутационный элемент 21 (поездного контактора) к плюсовой шине 19 постоянного тока от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6, а через другой полупроводниковый коммутационный элемент 23, зашунтированный в непроводящем направлении диодом 42, подключен к минусовой шине 20 от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6 и к коммутационным элементам 29, 30 или 31, 32 реверсора обмотки возбуждения 26. Обмотка возбуждения 26 зашунтирована диодом 43, включенным в непроводящем направлении при любом включении коммутационных элементов 29, 30 или 31, 32 реверсора.
Другой тяговый электродвигатель с обмоткой якоря 27 подключен через один коммутационный элемент 22 (поездного контактора) к плюсовой шине 19 постоянного тока от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6, а через другой полупроводниковый коммутационный элемент 24, зашунтированный в непроводящем направлении диодом 44, подключен к минусовой шине 20 постоянного тока от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6 и к коммутационным элементам 33, 34 или 35, 36 реверсора обмотки возбуждения 28. Обмотка возбуждения 28 зашунтирована диодом 45, включенным в непроводящем направлении при любом включении коммутационных элементов 33, 34 или 35, 36 реверсора обмотки возбуждения 28.
Параллельно цепи одного тягового электродвигателя, состоящей из обмотки возбуждения 26, коммутационных элементов 29, 30 или 31, 32 при любом включении реверсора, и последовательно соединенного с обмоткой возбуждения 26 полупроводникового коммутационного элемента 23, включен другой полупроводниковый коммутационный элемент 46, зашунтированный диодом 47, включенным в непроводящем направлении, а плюс обмотки возбуждения 26, при любом включении коммутационных элементов 29, 30 или 31, 32 реверсора, через диод 48, включенного в непроводящем направлении, соединен с плюсовой шиной 19 от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6, и через другую последовательную цепь, состоящую из резистора подпитки 49, разделительного диода 50 и коммутационного элемента 51 (тормозного контактора), соединен с плюсовой шиной 19 от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6.
Параллельно цепи другого тягового электродвигателя, состоящей из обмотки возбуждения 28, коммутационных элементов 33, 34 или 35, 36 при любом включении реверсора, и последовательно соединенного с обмоткой возбуждения 28 полупроводникового коммутационного элемента 24, включен другой полупроводниковый коммутационный элемент 52, зашунтированный диодом 53, включенным в непроводящем направлении, а плюс обмотки возбуждения 28, при любом включении коммутационных элементов 33, 34 или 35, 36 реверсора, через диод 54, включенного в непроводящем направлении, соединен с плюсовой шиной 19 от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6 и через другую последовательную цепь, состоящую из резистора подпитки 55, разделительного диода 56 и коммутационного элемента 51 (тормозного контактора), соединен с плюсовой шиной 19 от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6.
На шины постоянного тока 19 и 20 от мостовых выпрямителей 5 и 6 подключен фильтровой конденсатор 57.
Работа электропривода в режиме тяги происходит следующим образом.
Первичный тепловой двигатель 1 приводит во вращение тяговый генератор 2. При выбранном направлении движения транспортного средства, например, «вперед», реверсором, содержащим коммутационные элементы 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 и 36, включают коммутационные элементы 29, 30 и 33, 34 и отключают коммутационные элементы 31, 32 и 35, 36, а при выбранном направлении движения транспортного средства «назад» включают коммутационные элементы 31, 32, 35, 36 и отключают коммутационные элементы 29, 30, 33, 34. Включают поездными контакторами свои коммутационные элементы 21 и 22 и включают полупроводниковые коммутационные элементы 23 и 24. Тяговые электродвигатели с обмотками якорей 25, 27 и обмотками возбуждения 26, 28 подключены на шины 19 и 20 от трехфазных мостовых выпрямителей 5 и 6. Возбуждают тяговый генератор 2 и регулируют его выходное напряжение, действующее на шинах 19 и 20 в соответствии с заданной позицией контроллера машиниста (не показано), заданным законом регулирования и обеспечивают режим трогания транспортного средства в соответствии с принятыми ограничениями по току тягового генератора 2, а по окончании режима трогания в соответствии с законом на поддержание постоянной мощности тягового генератора 2 и принятым ограничением максимального напряжения тягового генератора 2. Если напряжение тягового генератора 2, действующее на шинах 19 и 20 постоянного тока тягового генератора 2, достигает максимально допустимого (заданного), происходит широтно-импульсное управление полупроводниковых коммутационных элементов 46 и 52 и ослабляется поле тяговых электродвигателей (25, 26 и 27, 28). Полупроводниковые коммутационные элементы шунтируют обмотки возбуждения 26 и 28, так коммутационный элемент 46 шунтирует обмотку возбуждения 26 и последовательно включен коммутационный элемент 23, а коммутационный элемент 52 шунтирует обмотку возбуждения 28 и последовательно включен коммутационный элемент 24. Для обеспечения непрерывности тока обмоток возбуждения 26 и 28 при шунтировании обмоток возбуждения обмотки возбуждения, в свою очередь, шунтируются диодами, так обмотка возбуждения 26 зашунтирована диодом 43, а обмотка возбуждения 28 зашунтирована диодом 45. Защита полупроводниковых коммутационных элементов 23, 24, 46 и 52 осуществлена диодами 42, 43, 44, 45, 47 и 53.
2
ш
Управление полупроводниковыми коммутационными элементами 46 и 52 осуществляется в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) так, чтобы в режиме ослабления поля тяговых электродвигателей осуществлялся плавно, при мощности тягового генератора 2 Рг=Const, а напряжение тягового генератора Uг и ток тягового генератора 1 г также поддерживалось близким к Ur=Const и Iг=Const. Такой плавный режим ослабления поля тяговых электродвигателей, когда поддерживается Ur=Const и Iг=Const при Рг=Const, позволяет уменьшить тепловые потери в силовой схеме при ослаблении поля за счет исключения резисторов ступенчатой шунтировки обмоток возбуждения при ослаблении поля, на которых могла бы выделяться мощность ΔP=Im·r,
ш
где I - ток через шунтирующий резистор;
ш
r - резистор шунтировки поля,
а также за счет уменьшения тока в якорной цепи 25 или 27 тягового электродвигателя по сравнению с токами, которые могли действовать в этой цепи при ступенчатом ослаблении поля, изменяясь от длительного тока до тока, соответствующего напряжению отсечки (Ud=max).
Тяговые электродвигатели при равенстве их частот вращения нагружаются токами и моментами, разброс которых, обусловленный технологическими расхождениями параметров электродвигателей, минимален.
Боксование колесной пары одного из тяговых электродвигателей, например тягового электродвигателя с обмоткой якоря 25 и обмоткой возбуждения 26, нарушает установившийся режим тяговой передачи.
Система регулирования тяговой передачи производит в режиме ШИМ управления полупроводниковым коммутационным элементом 22 и уменьшает ток через тяговый электродвигатель с обмотками 25 и 26, выравнивая момент, развиваемый этим электродвигателем, с моментом, обусловленным коэффициентом сцепления боксующей колесной пары. Боксование колесной пары электродвигателя устраняется или ограничивается незначительными избыточными скоростями скольжения при сохранении на ободе боксующей колесной пары момента, близкого к максимальному моменту, обусловленному коэффициентом сцепления.
При работе полупроводникового коммутационного элемента 23 в режиме ШИМ непрерывность тока в цепи обмотки якоря 25 обеспечивается диодом 48, включенным параллельно обмотке якоря 25, а в цепи обмотки возбуждения 26 непрерывность тока через обмотку возбуждения 26 обеспечивается диодом 43. Диод 42 защищает коммутационный элемент 23 от обратных токов.
Фильтровой конденсатор 57 в режиме ШИМ-управления током нагрузки боксующего тягового электродвигателя позволяет уменьшить пульсацию тока в цепи тягового генератора 2 и боксующего тягового электродвигателя.
Предложенный привод при возникновении одновременно режима боксования у двух и более колесных пар транспортного средства работает аналогично, что позволяет вести раздельное поосное регулирование силы тяги транспортного средства. За счет возможности раздельного регулирования мощности, подводимой к каждому электродвигателю боксующей колесной пары, тяговые свойства транспортного средства повышаются, поскольку достигаются условия выравнивания момента, развиваемого боксующим тяговым электродвигателем, с моментом, обусловленным условиями сцепления колесо - рельс.
Работа электропривода в режиме реостатного торможения происходит следующим образом.
Для перехода из режима тяги в режим торможения снимают возбуждения тягового генератора 2. Отключают поездные контакторы, которые своими коммутационными элементами 21 и 22 разрывают цепи питания тяговых электродвигателей с обмотками 25, 26 и 27, 28. Реверсируют обмотки возбуждения 26 и 28. Возбуждают тяговый генератор 2. Включают полупроводниковые коммутационные элементы 23 и 24. Кратковременно на 1-2 с включают тормозной контактор, который включает свой коммутационный элемент 51. По цепям коммутационный элемент 51, разделительные диоды 50 и 56, резисторы подпитки 49 и 55 к шинам 19 и 20 подключают обмотки возбуждения 26 и 28 тяговых электродвигателей. Полярность якорей 25 и 27 тяговых электродвигателей изменяется и по тормозным цепям электродвигателей: основной тормозной резистор 41, уравнивающие тормозные резисторы 39, 40 и диоды 37 и 38 - протекают тормозные токи тяговых электродвигателей. Тяговые электродвигатели переходят в режим самовозбуждения.
Полупроводниковые коммутационные элементы 46 и 52 переводят в режим ШИМ, за счет чего регулируют ток возбуждения в обмотках 26 и 28 тяговых электродвигателей и формируют тормозную характеристику транспортного средства.
Тормозные характеристики с предлагаемым приводом можно сформировать четырех видов, а именно при:
- постоянной тормозной мощности;
- ограничении по коммутации;
- равенстве токов якоря и возбуждения;
- постоянном тормозном усилии, -
которые выбирают с помощью тормозного контроллера и регулятора тока возбуждения тормозящих тяговых электродвигателей.
Предложенный тяговый привод исследован на математической модели и на натурном стенде и показал работоспособность по всем заявленным параметрам.
Предложенный привод предлагается использовать при модернизации парка тепловозов и для вновь проектируемых тепловозов.