СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
POWER SUPPLY SYSTEM FOR AUXILIARY ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTORS OF ELECTRIC ROLLING STOCK

Изобретение относится к преобразовательной технике преимущественно транспортного назначения и предназначено, в частности, для преобразования однофазного переменного напряжения в трехфазное переменное напряжение для питания трехфазных асинхронных электродвигателей приводов вспомогательных агрегатов электроподвижного состава.
Известна система электропитания вспомогательных двигателей электровоза, содержащая устройство для преобразования однофазного переменного напряжения в трехфазное, использующее вращающийся расщепитель фаз в виде асинхронного трехфазного двигателя с несимметричной обмоткой, работающий без нагрузки на валу (Некрасов О.А. Вспомогательные машины электроподвижного состава переменного тока. М.: Транспорт, 1967, 168 с.). Указанная система электропитания обладает рядом недостатков (пониженный пусковой момент, дополнительные потери холостого хода и др.), основным из которых является сильная зависимость асимметрии трехфазного напряжения, поступающего от системы электропитания на асинхронные двигатели вспомогательных агрегатов, от количества одновременно работающих двигателей и мощности на их валах. Эти недостатки отрицательно сказываются на работе двигателей и приводят к понижению их надежности и частым выходам из строя.
Наиболее близким техническим решением является устройство для расщепления фаз на электроподвижном составе переменного тока (Патент на полезную модель RU №109704 от 03.03.2011 г., МПК B60L 9/28), содержащее тяговый трансформатор с сетевой обмоткой и обмоткой собственных нужд и конденсатор, подключенный первым выводом к первому выводу обмотки собственных нужд, в него дополнительно введены преобразователь однофазного переменного напряжения в однофазное переменное напряжение, находящееся в квадратуре к напряжению обмотки собственных нужд, первый и второй дроссели, при этом преобразователь входными зажимами подключен к первому выводу обмотки собственных нужд непосредственно, а ко второму выводу обмотки собственных нужд - через первый дроссель, и выходными зажимами подключен: одним через второй дроссель со вторым выводом конденсатора и вторым с первым выводом обмотки собственных нужд.
Данное устройство отличает независимость симметрии питающего двигатели трехфазного напряжения от количества двигателей и их нагрузки, а также от колебаний напряжения питающей сети.
Недостатком указанного устройства для расщепления фаз на электроподвижном составе переменного тока является наличие силовых активных коммутирующих элементов транзисторов (тиристоров), которые являются элементами, понижающими надежность устройства в целом, а также требующими специальной настройки, соответствующей квалификации обслуживающего персонала и значительного увеличения времени проведения ремонтных работ при замене оборудования. Транзисторы (тиристоры) указанного устройства работают в ключевом режиме и являются источником интенсивных помех для работающей аппаратуры связи и других электронных устройств подвижного состава. Также активные коммутирующие элементы транзисторы (тиристоры), имеющие ограниченный температурный диапазон применения, ухудшают функциональные возможности устройства. Преобразователь, входящий в состав устройства, искажает форму тока и напряжения как на входе, так и на выходе, из-за чего приходится использовать дополнительные фильтры гармоник, что усложняет конструкцию, приводит к увеличению его стоимости и габаритов.
Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является получение трехфазного переменного напряжения с допустимой по ГОСТ асимметрией, обеспечивающей гарантированный запуск и нормальную работу трехфазных асинхронных двигателей, независимо от числа подключенных к сети двигателей, и допустимого отклонения от номинального напряжения на сетевой обмотке тягового трансформатора, улучшение пусковых характеристик привода (повышения пускового момента), повышение надежности, простоты обслуживания и ремонтопригодности системы при уменьшении потерь электроэнергии.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения, выражается в расширении функциональных возможностей за счет расширения рабочего диапазона температуры, улучшения качества выходного питающего напряжения; уменьшении массогабаритных характеристик системы электропитания вспомогательных асинхронных электродвигателей электроподвижного состава; упрощении конструкции; уменьшении эксплуатационных затрат и повышении надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что система электропитания вспомогательных асинхронных электродвигателей электроподвижного состава, содержащая тяговый трансформатор с сетевой обмоткой, подключенной к питающей сети, и обмоткой собственных нужд, первый конденсатор, присоединенный первым выводом к первому выводу обмотки собственных нужд и первому выходному зажиму системы электропитания, первый и второй дроссели, третий выходной зажим системы электропитания соединен со вторым выводом первого конденсатора, второй вывод обмотки собственных нужд подключен к второму выводу второго дросселя и к второму выходному зажиму системы электропитания, содержит также второй конденсатор, контактор и блок управления контактором, при этом, первый и второй дроссели выполнены на едином магнитопроводе, второй конденсатор первым выводом присоединен к первому выводу обмотки собственных нужд, вторым соединен с первым выводом коммутирующего контакта контактора, второй вывод которого подключен к второму выводу первого дросселя, первые выводы первого и второго дросселей, образуя их встречное включение, соединены между собой и с третьим выходным зажимом системы электропитания, первый и второй входы блока управления контактором присоединены соответственно к первому и второму выводам обмотки собственных нужд, управляющая обмотка контактора подключена первым выводом - к второму выводу обмотки собственных нужд, а вторым к выходу блока управления контактором.
Расширение функциональных возможностей и повышение надежности подключаемых асинхронных электродвигателей достигается путем повышения качества (угла сдвига фазных напряжений) выходного сетевого питающего напряжения в широком температурном диапазоне во время пуска подключаемых асинхронных электродвигателей за счет использования второго пускового конденсатора, присоединяемого к третьей выходной клемме с помощью контактора через второй дроссель, расположенный на одном сердечнике с первым дросселем, соединенным со второй и третьей выходной клеммой.
На Фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная системы электропитания вспомогательных асинхронных электродвигателей электроподвижного состава.
Система электропитания вспомогательных асинхронных электродвигателей электроподвижного состава содержит тяговый трансформатор 1 (см. Фиг. 1) с сетевой обмоткой 2, подключенной к питающей сети, и обмоткой собственных нужд 3, блок управления контактором 4, контактор 5 с управляющим контактом 6, первый дроссель 8 (L2) и второй дроссель 7 (L1), выполненные на едином магнитопроводе 9, первый конденсатор 10 (С1) и второй конденсатор 11 (С2). Первый и второй конденсаторы 10 и 11 присоединены первыми выводами к первому выводу обмотки собственных нужд 3, первому входу блока управления контактором 4 и к первому выходному зажиму системы электропитания U1. Первые выводы первого 8 и второго 7 дросселей, образуя их встречное включение, соединены между собой со вторым выводом первого конденсатора 10 (С1) и с третьим выходным зажимом системы электропитания U3. Второй вывод обмотки собственных нужд 3 подключен к второму входу блока управления контактором 4, второму выводу второго дросселя 7, первому выводу управляющей обмотки контактора 5 и к второму выходному зажиму системы электропитания U2. Второй конденсатор 11 (С2) вторым выводом соединен с первым выводом коммутирующего контакта 6 контактора, второй вывод которого подключен к второму выводу первого дросселя 8 (L2). Управляющая обмотка контактора 5 подключена вторым выводом к третьему выходу блока управления контактором 4.
Система электропитания вспомогательных асинхронных электродвигателей электроподвижного состава работает следующим образом.
При включенной сетевой обмотке 2 на выводах 1 и 2 обмотки собственных нужд 3 появляется однофазное напряжение U1-U2. Первым обычно всегда включается двигатель привода компрессора, как наиболее сложной из всех для приводов собственных нужд (и с наибольшим пусковым моментом) нагрузки. Одновременно от блока управления контактором 4 запитывается катушка 5 пускового контактора и его контакт 6 замыкают цепь последовательно включенных обмоток дросселя 7 и 8 и пускового конденсатора 11 (С2). Индуктивности обмоток L1 и L2 дросселей 7 и 8, коэффициент магнитной связи между ними и емкости конденсаторов 10 (С1) и 11 (С2) выбираются таким образом, чтобы обеспечивалось равенство по величине линейных напряжений между выводами U1-U2 (напряжение обмотки собственных нужд), U1-U3 и U3-U2 и угол сдвига фаз между ними 120°, т.е. симметрию подаваемого на электродвигатель компрессора трехфазного напряжения. Под действием этого напряжения электродвигатель начинает форсированно вращаться, развивая максимально возможный электромагнитный момент. Через некоторое фиксированное время, когда электродвигатель достигает примерно 80% от номинальных оборотов, от блока управления контактором 4 подается команда на размыкание контактов 6. При этом отключается пусковой конденсатор 11 (С2), а ток в цепи обмотки дросселя 7 и конденсатора 10 (С1) достигает такой величины, что обеспечивается режим с наименьшей асимметрией трехфазных напряжений, не превышающей допустимой, и двигатель компрессора достигает номинальных оборотов.
После этого появляется возможность последовательного запуска остальных электродвигателей (вентиляторов и др.), причем с каждым дополнительным двигателем асимметрия трехфазных напряжений уменьшается, достигая минимума при максимальном их количестве, на которое рассчитана система по мощности.
В режиме максимальной нагрузки, когда работают все двигатели системы, подключены только два элемента - конденсатор 10 (С1) и дроссель 7 (L1), потери электроэнергии в которых существенно меньше, чем статические и динамические потери в полупроводниковых элементах и фильтрах преобразователя прототипа и его системе управления. Устойчивость заявляемой модели также выше, поскольку при изменении нагрузки нет необходимости регулировать токи (напряжения) его элементов, как это приходится делать в устройстве прототипа.
Заявляемая система электропитания вспомогательных асинхронных электродвигателей электроподвижного состава может быть изготовлена в условиях серийного производства с использованием стандартного оборудования.
Изобретение прошло испытания в Испытательном Центре электрических машин и бытовых приборов ПАО «НИПТИЭМ» (г. Владимир) и показало соответствие заявляемым характеристикам (Протокол №7.14.12.652). При пусках трехфазного электродвигателя AH32254L4 мощностью 55 кВт при однофазном входном напряжении питания системы был зарегистрирован пусковой момент электродвигателя, равный 560 Нм.
Использование второго пускового конденсатора, присоединяемого к третьей выходной клемме с помощью контактора, управляемого от блока управления контактором, через второй дроссель, расположенный на одном сердечнике с первым дросселем, соединенным со второй и третьей выходными клеммами, повышает качество (выравнивает угол сдвига между фазными напряжениями и амплитуду фазных напряжений) выходного сетевого питающего напряжения в широком температурном диапазоне, повышает пусковой момент электродвигателей, упрощает конструкцию и техническое обслуживание системы электропитания вспомогательных асинхронных электродвигателей электроподвижного состава, а также повышает надежность подключаемых асинхронных электродвигателей.