ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА
TRACTION DC DRIVE

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности к устройствам для управления скоростью вращения тяговых электродвигателей, и может быть применено на транспортных средствах с тяговыми двигателями постоянного тока.
Известно устройство для регулирования скорости электроподвижного состава, которое содержит две параллельные группы тяговых двигателей постоянного тока, в каждой группе якорные обмотки тяговых двигателей постоянного тока соединены через диод в последовательную цепь с обмотками возбуждения, анодными реакторами, двумя ступенями тормозного резистора, тиристорами в цепях тормозных резисторов (RU, патент на изобретение №2216457, кл. B60L 7/10, опубл. 2003 г.).
Недостаток устройства для регулирования скорости электроподвижного состава: невозможность длительного автономного движения электроподвижного состава, так как в конденсаторных накопителях накапливается только энергия электрического торможения.
Известно устройство для регулирования скорости электроподвижного состава, содержащее источник питания, две группы тяговых двигателей постоянного тока, включенных последовательно с соответствующими регулируемыми пусковыми резисторами, имеются также четыре основных переключающих элемента в виде трех тиристоров и одного диода, группа конденсаторных накопителей энергии, зарядное устройство (RU, патент на изобретение №2238858, кл. B60L 15/00, опубл. 2004 г.).
Недостаток устройства для регулирования скорости электроподвижного состава: невозможность длительного автономного движения электроподвижного состава из-за неполного использования емкости накопительных конденсаторов, так как переключение на следующую ступень происходит при достижении равенства величины противоЭДС тягового двигателя постоянного тока и напряжения на конденсаторе, при этом значительная часть емкости конденсатора остается неиспользованной, отсутствие режима электрического торможения снижает кпд устройства.
Известно устройство для регулирования скорости электроподвижного состава, принятое за прототип, содержащее последовательно соединенные источник питания, первый контактор, якорные обмотки и обмотки возбуждения первого и второго тяговых двигателей постоянного тока, последовательно соединенные якорные обмотки и обмотки возбуждения третьего и четвертого тяговых двигателей постоянного тока, первый диод через второй контактор соединен с общим выводом первого контактора и якорной обмотки первого тягового двигателя постоянного тока, второй диод, третий контактор, общую шину, в него дополнительно введены аккумуляторная батарея, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой контакторы, к общему выводу первого и второго контакторов через третий контактор подключен свободный вывод обмотки возбуждения четвертого тягового двигателя постоянного тока, катод второго диода и первый вывод четвертого контактора, второй вывод которого соединен со свободным выводом обмотки возбуждения второго тягового двигателя постоянного тока, анодом первого диода и через последовательно соединенные пятый и шестой контакторы с анодом второго диода и катодом аккумуляторной батареи, ее анод соединен с общим выводом второго контактора и катода первого диода и через седьмой контактор с общим выводом якорной обмотки четвертого тягового двигателя постоянного тока и обмотки возбуждения третьего тягового двигателя постоянного тока, анод второго диода через восьмой контактор соединен с общим выводом якорной обмотки второго тягового двигателя постоянного тока и обмотки возбуждения первого тягового двигателя постоянного тока, свободный вывод якорной обмотки третьего тягового двигателя постоянного тока и общий вывод пятого и шестого контакторов подключены к общей шине (RU, патент на изобретение №2376161, кл. B60L 15/00, опубл. 2009 г.).
Недостаток устройства: ограниченный диапазон регулирования напряжения на тяговых двигателях постоянного тока в режиме тяги, отсутствие возможности плавного регулирования и ограничения тока тяговых электродвигателей в режимах тяги и электрического торможения, а также при ступенчатом увеличении напряжения на тяговых двигателях постоянного тока при отключении цепи заряда аккумулятора в режиме тяги.
Техническим результатом изобретения является управление скоростью вращения тяговых электродвигателей транспортного средства, расширение диапазона регулирования напряжения на тяговых двигателях постоянного тока в режиме тяги, обеспечение плавного регулирования и ограничения тока тяговых электродвигателей тягового электропривода постоянного тока в режимах тяги и электрического торможения.
Технический результат достигается тем, что тяговый электропривод постоянного тока, содержащий последовательно соединенные источник питания, первый контактор, якорные обмотки и обмотки возбуждения первого и второго тяговых двигателей постоянного тока, последовательно соединенные якорные обмотки и обмотки возбуждения третьего и четвертого тяговых двигателей постоянного тока, первый диод через второй контактор соединен с общим выводом первого контактора и якорной обмотки первого тягового двигателя постоянного тока, второй диод, третий контактор, аккумуляторную батарею, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой контакторы, к общему выводу первого и второго контакторов через третий контактор подключен свободный вывод обмотки возбуждения четвертого тягового двигателя постоянного тока, катод второго диода и первый вывод четвертого контактора, второй вывод которого соединен со свободным выводом обмотки возбуждения второго тягового двигателя постоянного тока, анодом первого диода и первым выводом пятого контактора, первый вывод шестого контактора соединен с анодом второго диода и катодом аккумуляторной батареи, причем анод второго диода через седьмой контактор соединен с общим выводом якорной обмотки второго тягового двигателя постоянного тока и обмотки возбуждения первого тягового двигателя постоянного тока, анод аккумуляторной батареи соединен с общим выводом второго контактора и катода первого диода, дополнительно снабжен двумя транзисторными прерывателями, причем анод аккумуляторной батареи соединен через восьмой контактор и первый транзисторный прерыватель с общим выводом якорной обмотки четвертого тягового двигателя постоянного тока и обмотки возбуждения третьего тягового двигателя постоянного тока, а свободный вывод якорной обмотки третьего тягового двигателя постоянного тока и второй вывод пятого контактора подключены через второй транзисторный прерыватель к минусовому выводу источника питания, к которому также подключен второй вывод шестого контактора.
На чертеже изображена принципиальная электрическая схема тягового электропривода постоянного тока.
В соответствии с чертежом тяговый электропривод постоянного тока содержит последовательно соединенные источник питания 1, например, тяговый генератор, контактная сеть, первый контактор 2, якорные обмотки 3, 4 и обмотки возбуждения 5, 6 первого и второго тяговых двигателей постоянного тока, последовательно соединенные якорные обмотки 7, 8 и обмотки возбуждения 9, 10 третьего и четвертого тяговых двигателей постоянного тока, первый диод 11 через второй контактор 12 соединен с общим выводом первого контактора 2 и якорной обмотки 3 первого тягового двигателя постоянного тока. К общему выводу первого 2 и второго 12 контакторов через третий контактор 13 подключен свободный вывод обмотки возбуждения 10 четвертого тягового двигателя постоянного тока, катод второго диода 14 и первый вывод четвертого контактора 15, второй вывод которого соединен со свободным выводом обмотки возбуждения 6 второго тягового двигателя постоянного тока, анодом первого диода 11 и первым выводом пятого 16 контактора, первый вывод шестого 17 контактора соединен с анодом второго диода 14 и катодом аккумуляторной батареи 18, причем анод второго диода 14 через седьмой 19 контактор соединен с общим выводом якорной обмотки 4 второго тягового двигателя постоянного тока и обмотки возбуждения 5 первого тягового двигателя постоянного тока, анод аккумуляторной батареи 18 соединен с общим выводом второго контактора 12 и катода первого диода 11, через восьмой контактор 20 и через первый транзисторный прерыватель 21 с общим выводом якорной обмотки 8 четвертого тягового двигателя постоянного тока и обмотки возбуждения 9 третьего тягового двигателя постоянного тока, свободный вывод якорной обмотки 7 третьего тягового двигателя постоянного тока и второй вывод пятого 16 контактора через второй транзисторный прерыватель 22 подключены к минусовому выводу источника питания 1, к которому подключен также второй вывод шестого контактора 17. На чертеже тяговый электропривод включает в себя четыре тяговых двигателя постоянного тока, в общем случае число тяговых двигателей постоянного тока в тяговом электроприводе должно быть кратно 2 (2, 4, 6, 8).
Тяговый электропривод постоянного тока работает следующим образом.
В режиме тяги ток протекает по следующей цепи тягового тока: источник питания 1, контактор 2, якорные обмотки 3, 4, обмотки возбуждения 5, 6 первого и второго тяговых двигателей постоянного тока, первый диод 11, аккумуляторная батарея 18, второй диод 14, обмотки возбуждения 10, 9, якорные обмотки 8, 7 четвертого и третьего тяговых двигателей постоянного тока, второй транзисторный прерыватель 22, минус источника питания 1. Аккумуляторная батарея 18 включена в цепь тягового тока, поглощает избыточное напряжение при пуске и одновременно заряжается. Когда разгон тяговых двигателей постоянного тока (с обмотками якорей 3, 4, 7, 8 и обмотками возбуждения 5, 6, 9, 10) заканчивается и они выходят на естественную характеристику, включается четвертый контактор 15, аккумуляторная батарея 18 с первым и вторым 11 и 14 диодами выводятся из цепи тягового тока, которая в этом случае образована следующими элементами: источник питания 1, контактор 2, якорные обмотки 3, 4, обмотки возбуждения 5, 6 первого и второго тяговых двигателей постоянного тока, четвертый контактор 15, обмотки возбуждения 10, 9, якорные обмотки 8, 7 четвертого и третьего тяговых двигателей постоянного тока, второй транзисторный прерыватель 22, минус источника питания 1. При этом процесс заряда аккумуляторной батареи 18 заканчивается. При пропадании напряжения в источнике питания 1 или его отключении тяговые двигатели постоянного тока переходят на питание от аккумуляторной батареи 18, для чего включаются шестой 17, второй 12 и четвертый 15 контакторы. При этом образуется следующая цепь тягового тока: анод аккумуляторной батареи 18, второй контактор 12, якорные обмотки 3, 4, обмотки возбуждения 5, 6 первого и второго тяговых двигателей постоянного тока, четвертый контактор 15, обмотки возбуждения 10, 9, якорные обмотки 8, 7 четвертого и третьего тяговых двигателей постоянного тока, второй транзисторный прерыватель 22, шестой контактор 17, катод аккумуляторной батареи 18. Плавное нарастание тока в цепи тяговых двигателей постоянного тока (с обмотками якорей 3, 4, 7, 8 и обмотками возбуждения 5, 6, 9, 10) в режиме тяги, а также расширение диапазона изменения напряжения на тяговых двигателях постоянного тока при отключении цепей заряда аккумуляторной батареи 18 обеспечивается широтно-импульсной модуляцией второго транзисторного прерывателя 22.
В режиме торможения электрическая энергия, вырабатываемая тяговыми двигателями постоянного тока, используется для подзаряда аккумуляторной батареи 18, при этом ток протекает по двум цепям. Первая цепь: якорные обмотки 4, 3 второго и первого тяговых двигателей постоянного тока, третий контактор 13, обмотки возбуждения 10, 9 четвертого и третьего тяговых двигателей постоянного тока, первый транзисторный прерыватель 21, восьмой контактор 20, аккумуляторная батарея 18, седьмой контактор 19. Вторая цепь: якорные обмотки 7, 8 третьего и четвертого тяговых двигателей постоянного тока, первый транзисторный прерыватель 21, восьмой контактор 20, аккумуляторная батарея 18, седьмой контактор 19, обмотки возбуждения 5, 6 первого и второго тяговых двигателей постоянного тока, пятый контактор 16. Перекрестное соединение обмоток 3, 4, 9, 10, 5, 6, 7, 8 тяговых двигателей постоянного тока обеспечивает электрическую устойчивость системы. Заряд аккумуляторной батареи 18 в режиме торможения осуществляется суммарным током, протекающим по обеим цепям. Плавное нарастание и ограничение тока в цепях тяговых двигателей постоянного тока в режиме электрического торможения обеспечивается широтно-импульсной модуляцией первого транзисторного прерывателя 21.