ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ТЕПЛОВОЗА
CONVERSION COMPLEX OF DIESEL LOCOMOTIVE POWER SUPPLY

Изобретение относится к электроснабжению транспортных средств, в частности к силовым полупроводниковым преобразователям для пассажирских и грузовых тепловозов, преобразующим энергию переменного тока на входе в энергию переменного тока на выходе.
Известен способ электроснабжения переменным напряжением от тягового синхронного генератора силовых вспомогательных цепей, в частности асинхронных двигателей вентиляторов холодильной камеры, вентиляторов охлаждения тяговых двигателей, вентиляторов охлаждения выпрямительной установки (Б.И.Вилькевич «Автоматическое управление электрической передачей и электрические схемы тепловозов». М.: «Транспорт», 1987, стр.240).
Недостатком известного способа является питание асинхронных двигателей вспомогательного оборудования тепловоза от тягового синхронного генератора, выходное напряжение которого и частота зависят от оборотов дизеля, что существенно снижает кпд электродвигателей.
Известен способ электроснабжения асинхронных двигателей вспомогательного оборудования тепловоза переменным напряжением постоянной амплитуды и частоты от вспомогательного синхронного генератора (Б.И.Вилькевич «Автоматическое управление электрической передачей и электрические схемы тепловозов». М.: «Транспорт», 1987, стр.240).
Недостатком известного способа является постоянный расход электроэнергии независимо от режима работы тепловоза и установка дополнительного вспомогательного синхронного генератора.
Известна унифицированная система электроснабжения вагонных потребителей электропоезда, состоящая из резонансного инвертора напряжения, вход которого подключен к контактной сети постоянного тока, а выходное переменное напряжение нагружено на первичные обмотки трех трансформаторов, вторичные обмотки которых подключены к преобразователям частоты, формирующим трехфазные или двухфазные переменные напряжения, к выпрямительной установке и к люминесцентному освещению (A.M.Солодунов, Ю.М.Иньков, Г.Н.Коваливкер, В.В.Литовченко «Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями». Рига: «Зинатне», 1991, стр.272-275).
Недостатком известной унифицированной системы электроснабжения является низкая точность регулирования напряжения и частоты на выходах непосредственных преобразователях частоты при изменении напряжения контактной сети в широких пределах, что ведет к снижению кпд всей системы энергоснабжения.
Известен силовой полупроводниковый преобразовательный комплекс для энергоснабжения транспортного средства, преимущественно пассажирского поезда с тяговым синхронным генератором, вспомогательным синхронным генератором и общими магистральными шинами энергоснабжения, содержащий первый высоковольтный преобразователь трехфазного переменного тока тягового синхронного генератора в постоянный ток для питания тяговых электродвигателей тепловоза, размещенный в корпусе с центральным вертикальным каналом воздушного охлаждения, снабженный также высоковольтным адаптером силовых подключений и кабельных соединений и вторым высоковольтным преобразователем трехфазного переменного тока вспомогательного синхронного генератора в постоянный ток для питания общих магистральных шин энергоснабжения поезда, размещенным в антресольном корпусе, установленном на корпусе упомянутого первого высоковольтного преобразователя (патент RU №2360382, кл. H05K 7/20, 2006 г.).
Недостатком известного силового полупроводникового преобразовательного комплекса для энергоснабжения транспортного средства является его низкий кпд, установка вспомогательного синхронного генератора.
Техническим результатом изобретения является исключение из энергоснабжения тепловоза вспомогательного синхронного генератора, повышение кпд и надежности преобразовательного комплекса электроснабжения тепловоза за счет использования одного источника питания, использование преобразователей собственных нужд без выпрямителей.
Указанный технический результат достигается тем, что в преобразовательном комплексе электроснабжения тепловоза, содержащем трехфазный тяговый синхронный генератор, первый высоковольтный преобразователь, вход которого подключен к первой звезде трехфазного тягового синхронного генератора, а выходы подключены к тяговым электродвигателям первой тележки тепловоза, второй высоковольтный преобразователь, постоянным током которого питают общие магистральные шины энергоснабжения тепловоза, согласно изобретению первый высоковольтный преобразователь выполнен из последовательно соединенных трехфазного выпрямителя и многоканального автономного инвертора напряжения для преобразования входного переменного напряжения в выходное переменное напряжение, регулируемое по амплитуде и по частоте, а второй высоковольтный преобразователь выполнен из последовательно соединенных мостового инвертора напряжения, согласующего трансформатора, однофазного выпрямителя и подключен к промежуточному выходу первого высоковольтного преобразователя между трехфазным выпрямителем и многоканальным автономным инвертором напряжения для формирования на выходе постоянного стабилизированного напряжения и питания общих магистральных шин энергоснабжения тепловоза, к которым подключены преобразователи собственных нужд, к второй звезде трехфазного тягового синхронного генератора подключен третий высоковольтный преобразователь, идентичный первому высоковольтному преобразователю, к выходу которого подключены тяговые электродвигатели второй тележки тепловоза, а к промежуточному выходу подключен четвертый высоковольтный преобразователь, идентичный второму высоковольтному преобразователю, выход которого подсоединен на общие магистральные шины энергоснабжения тепловоза параллельно выходу второго высоковольтного преобразователя.
На чертеже представлена структурная схема преобразовательного комплекса энергоснабжения тепловоза.
Преобразовательный комплекс энергоснабжения тепловоза содержит трехфазный тяговый синхронный генератор 1, первый высоковольтный преобразователь 2, вход которого подключен к первой звезде 3 трехфазного тягового синхронного генератора 1, а выходы подключены к асинхронным тяговым электродвигателям 4 первой тележки тепловоза, второй высоковольтный преобразователь 5, постоянным током которого питают общие магистральные шины 6 энергоснабжения тепловоза, при этом первый высоковольтный преобразователь 2 выполнен из последовательно соединенных трехфазного выпрямителя 7 и многоканального автономного инвертора напряжения 8 для преобразования входного переменного напряжения в выходное переменное напряжение, регулируемое по амплитуде и по частоте, а второй высоковольтный преобразователь 5 выполнен из последовательно соединенных мостового инвертора напряжения 9, согласующего трансформатора 10, однофазного выпрямителя 11 и подключен к промежуточному выходу первого высоковольтного преобразователя 2 между трехфазным выпрямителем 7 и многоканальным автономным инвертором напряжения 8, для формирования на выходе постоянного стабилизированного напряжения питания общих магистральных шин 6 энергоснабжения тепловоза, к которым подключены преобразователи собственных нужд 12, кроме этого к второй звезде 13 трехфазного тягового синхронного генератора 1 подключен третий высоковольтный преобразователь 14, идентичный первому высоковольтному преобразователю 2, к выходу которого подключены асинхронные тяговые электродвигатели 15 второй тележки тепловоза, а к промежуточному выходу подключен четвертый высоковольтный преобразователь 16, идентичный второму высоковольтному преобразователю 5, выход которого подсоединен на общие магистральные шины 6 энергоснабжения тепловоза параллельно выходу второго высоковольтного преобразователя 5.
Трехфазный тяговый синхронный генератор 1 вырабатывает два трехфазных переменных напряжения, сдвинутых друг относительно друга на 30 электрических градусов, амплитуда и частота которых зависят от положения рукоятки контроллера машиниста тепловоза. Первый (третий) высоковольтный преобразователь 2 (14) представляет собой статический преобразователь частоты, который преобразует входное переменное напряжение с первой (второй) звезды 3 (13) трехфазного тягового синхронного генератора 1 в выходное трехфазное переменное напряжение для питания асинхронных тяговых электродвигателей 4 (15) первой (второй) тележки тепловоза. Второй (четвертый) высоковольтный преобразователь 5 (16) преобразует входное постоянное напряжение с промежуточного выхода первого (третьего) высоковольтного преобразователя в постоянное стабилизированное напряжение. Общие магистральные шины 6 энергоснабжения тепловоза осуществляют питание вспомогательного оборудования тепловоза с использованием преобразователей собственных нужд 12. Трехфазный выпрямитель 7 преобразует входное переменное напряжение с первой звезды 3 трехфазного тягового синхронного генератора 1 в постоянное, которое многоканальный автономный инвертор напряжения 8 преобразует в трехфазные переменные напряжения по количеству тяговых асинхронных электродвигателей 4. Входом первого высоковольтного преобразователя 2 является вход трехфазного выпрямителя 7, выходом - выход многоканального автономного инвертора напряжения 8 и промежуточным выходом - выход трехфазного выпрямителя 7, подключенного к входу многоканального автономного инвертора напряжения 8. Многоканальный автономный инвертор напряжения 8 при работе тепловоза в режиме электрического тормоза работает как неуправляемый трехфазный выпрямитель. Мостовой инвертор напряжения 9 преобразует постоянное напряжение в переменное, регулируемое по амплитуде. Согласующий трансформатор 10 осуществляет гальваническую развязку между силовыми цепями трехфазного тягового синхронного генератора 1 и общими магистральными шинами 6 энергоснабжения тепловоза. Однофазный выпрямитель 11 представляет собой неуправляемый выпрямитель. Преобразователи собственных нужд 12 представляют собой статические преобразователи частоты, которые формируют напряжения, необходимые для питания вспомогательного оборудования тепловоза.
Преобразовательный комплекс электроснабжения тепловоза работает следующим образом.
Переменное напряжение первой звезды 3 трехфазного тягового синхронного генератора 1 первым высоковольтным преобразователем 2, состоящим из последовательно соединенных трехфазного выпрямителя 7 и многоканального автономного инвертора напряжения 8, преобразуют в выходное переменное напряжение, регулируемое по амплитуде и по частоте, которым питают асинхронные тяговые электродвигатели 4 первой тележки тепловоза. При этом переменное напряжение первой звезды 3 трехфазного тягового синхронного генератора 1 выпрямляют трехфазным выпрямителем 7 и многоканальным автономным инвертором напряжения 8 преобразуют в переменное напряжение в соответствии с алгоритмом векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Одновременно постоянное напряжение с промежуточного выхода первого высоковольтного преобразователя 2 подают на второй высоковольтный преобразователь 5, состоящего из последовательно соединенных мостового инвертора напряжения 9, согласующего трансформатора 10, однофазного выпрямителя 11, который на выходе формирует постоянное стабилизированное напряжение, питающее общие магистральные шины 6 энергоснабжения тепловоза, к которым подключают преобразователи собственных нужд 12. Мостовым инвертором напряжения 9 постоянное напряжение преобразуют в переменное напряжение, величину которого регулируют в соответствии с алгоритмом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Согласующим трансформатором 10 переменное напряжение передают на вход однофазного выпрямителя 11, которым осуществляют обратное преобразование переменного напряжения в постоянное. Мостовой инвертор напряжения 9 с ШИМ - управлением обеспечивает постоянство выходного напряжения во всем диапазоне изменения амплитуды и частоты напряжения с трехфазного тягового синхронного генератора 1. Переменное напряжение второй звезды 13 трехфазного тягового синхронного генератора 1 третьим высоковольтным преобразователем 14, идентичным первому высоковольтному преобразователю 2, преобразуют в выходное переменное напряжение, регулируемое по амплитуде и по частоте, которым питают асинхронные тяговые электродвигатели 15 второй тележки тепловоза. К промежуточному выходу третьего высоковольтного преобразователя 14 подключают четвертый высоковольтный преобразователь 16, идентичный второму высоковольтному преобразователю 5, выход которого нагружают на общие магистральные шины 6 энергоснабжения тепловоза параллельно выходу второго высоковольтного преобразователя 5. Преобразователи собственных нужд 12 формируют на своих выходах напряжения, необходимые для питания вспомогательного оборудования. Преобразователи собственных нужд 12 питают постоянным стабилизированным напряжением, при котором преобразователи работают в оптимальном режиме и без входных выпрямителей, что повышает кпд преобразователей.
В режиме тяги тепловоза переменные напряжения со звезд 3, 13 трехфазного тягового синхронного генератора 1 выпрямляют трехфазными выпрямителями первого и третьего высоковольтных преобразователей 2, 14 и соответственно подают на входы второго и четвертого высоковольтных преобразователей 5, 16. В режиме электрического тормоза напряжение с асинхронных тяговых электродвигателей 3, 15 тепловоза, работающих в генераторном режиме, выпрямляют многоканальными автономными инверторами напряжения первого и третьего высоковольтных преобразователей 2, 14 и питают соответственно второй и четвертый высоковольтные преобразователи 5, 16, а также тормозные резисторы тепловоза (на чертеже не показаны). При выходе из строя одного из высоковольтных преобразователей, питание преобразователей собственных нужд 12 и асинхронных тяговых электродвигателей 3 или 15 тепловоза не будет нарушено, что значительно повышает надежность преобразовательного комплекса электроснабжения тепловоза.
Заявленный технический результат преобразовательного комплекса энергоснабжения тепловоза достигается:
- исключением из энергоснабжения тепловоза вспомогательного синхронного генератора, кпд которого ниже кпд трехфазного тягового синхронного генератора 1;
- использованием энергии рекурперации для питания второго и четвертого высоковольтных преобразователей 5, 16 в режиме электрического тормоза;
- использованием преобразователей собственных нужд 12 без выпрямителей;
- взаимозаменяемостью высоковольтных преобразователей 5, 16 и 2, 14.