Тяговый электропривод железнодорожного транспортного средства

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и может быть использована в тяговом электроприводе рельсовых транспортных средств, в частности в тяговом электроприводе тепловозов с двумя и более дизель-генераторными или газогенераторными установками.
Из уровня техники известен тяговый электропривод транспортного средства, содержащий, как минимум, два тяговых электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, подключенных к выходу преобразователя напряжения. Параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения включены регуляторы токов возбуждения. Преобразователь напряжения состоит из двух выпрямителей. Регуляторы токов возбуждения выполнены в виде блока резисторов, каждый из которых подключен к обмотке возбуждения соответствующего тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения через контакторы. Цепи управления контакторов подключены к соответствующим выходам контроллера. Тяговый электропривод транспортного средства снабжен дополнительными контакторами. Причем первый тяговый электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения свободным выводом якорной обмотки подключен к плюсовому выводу первого выпрямителя. Свободный вывод обмотки возбуждения первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключен посредством первого дополнительного контактора к минусовому выводу первого выпрямителя. Свободный вывод якорной обмотки второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключен посредством второго дополнительного контактора к плюсовому выводу второго выпрямителя. Свободный вывод обмотки возбуждения второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключен к минусовому выводу второго выпрямителя. Свободный вывод обмотки возбуждения первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключен посредством третьего дополнительного контактора к свободному выводу якорной обмотки второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Четвертый дополнительный контактор подключает плюсовой вывод первого выпрямителя к плюсовому выводу второго выпрямителя. Пятый дополнительный контактор подключает минусовый вывод первого выпрямителя к минусовому выводу второго выпрямителя. Силовые входы выпрямителей подключены к отдельным трехфазным генераторам переменного напряжения, механически связанным с тепловыми двигателями. Входы управления трехфазных генераторов, тепловых двигателей и цепи управления дополнительных контакторов подключены к соответствующим выходам контроллера (RU №2551297 C1, B60L 11/06, опубл. 20.05.2015).
Недостатками известного тягового электропривода является недостаточно высокая эффективность работы тягового электропривода транспортного средства, связанная с применением трехфазного генератора переменного напряжения, который увеличивает амплитудное значение переменной составляющей в выпрямленном напряжении, что приводит к уменьшению КПД тягового электропривода. Также к недостаткам известного технического решения можно отнести ограниченный диапазон регулирования скорости железнодорожного транспортного средства.
Из уровня техники известен тяговый электропривод, предназначенный для использования в железнодорожном транспорте, принятый за прототип заявленной полезной модели. Тяговый электропривод содержит, как минимум, два тяговых электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, подключенных к выходу преобразователя напряжения. Параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения включен регулятор тока возбуждения. Регулятор тока возбуждения выполнен в виде последовательно соединенных контактора и резистора. Преобразователь напряжения состоит из двух выпрямителей. Входы выпрямителей подключены к отдельным генераторам переменного напряжения, которые механически связанными с тепловыми двигателями. Входы управления тепловых двигателей, управления возбуждением генераторов и цепей управления контактора регулятора тока возбуждения подключены к соответствующим выходам контроллера. Якорные обмотки и обмотки возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения соединены последовательно. Вывод якорной обмотки первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключен к плюсовому выводу первого выпрямителя. Вывод обмотки возбуждения второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключен к минусовому выводу второго выпрямителя. Минусовый вывод первого выпрямителя соединен с плюсовым выводом второго выпрямителя. Вывод якорной обмотки второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения соединен с выводом обмотки возбуждения первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения (RU №2613363 C1, B60L 11/06, В61С 5/00 опубл. 16.03.2017)
Недостатком известного тягового электропривода является невысокая эффективность работы тягового электропривода транспортного средства, связанная с применением трехфазного генератора переменного напряжения, который увеличивает амплитудное значение переменной составляющей в выпрямленном напряжении, что приводит к уменьшению КПД тягового электропривода. К недостаткам известного тягового электропривода можно также отнести отсутствие возможности отключения одного и более неисправных тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения, что приводит к прекращению эксплуатации транспортного средства. Также к недостаткам известного технического решения можно отнести ограниченный диапазон регулирования скорости железнодорожного транспортного средства.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности работы тягового электропривода железнодорожного транспортного средства за счет уменьшения амплитудного значения переменной составляющей в выпрямленном напряжении, обеспечения возможности продолжения работы транспортного средства при выходе из строя одного и более тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения, а также за счет увеличения диапазона регулирования скорости железнодорожного транспортного средства при постоянной мощности.
Технический результат достигается тем, что известный тяговый электропривод железнодорожного транспортного средства, содержит не менее четырех тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения, подключенных к выходам выпрямителей. Якорные обмотки четного и нечетного тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения соединены последовательно, обмотки возбуждения четного и нечетного тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения соединены последовательно. Свободный вывод обмотки возбуждения четного тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключен к минусовому выводу второго выпрямителя, а минусовой вывод первого выпрямителя соединен с плюсовым выводом второго выпрямителя. Свободный вывод якорной обмотки четного тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения соединен со свободным выводом обмотки возбуждения нечетного тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения включен регулятор тока возбуждения, выполненный в виде последовательно соединенных контактора и резистора. Силовые входы выпрямителей подключены к отдельным генераторам переменного напряжения, которые механически связаны с тепловыми двигателями. Входы управления тепловых двигателей, управления возбуждением генераторов и цепь управления контактора регулятора тока возбуждения подключены к соответствующим выходам контроллера.
Новым является то, что тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения соединены попарно. Регулятор тока возбуждения каждой пары тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения дополнительно содержит один и более последовательно соединенных контакторов и резисторов. Генераторы переменного напряжения выполнены шестифазными. Новым является также то, что в электрическую цепь между свободным выводом якорной обмотки каждого нечетного тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения и плюсовым выводом первого выпрямителя дополнительно введены контакторы с функцией отключения при выходе из строя тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения. Другим отличительным признаком является то, что цепи управления контакторов с функцией отключения при неисправности тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения, как и контакторов регуляторов тока возбуждения, подключены к соответствующим выводам контроллера.
Попарное объединение тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения обеспечивает минимизацию потери мощности железнодорожного транспортного средства при отключении вышедших из строя тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения во время эксплуатации.
Применение в тяговом электроприводе железнодорожного транспортного средства регулятора тока возбуждения, дополнительно содержащего один и более последовательно соединенных контакторов и резисторов, позволяет расширить диапазон регулирования скорости транспортного средства. Шестифазные генераторы переменного напряжения позволяют уменьшить амплитудное значение переменной составляющей постоянного напряжения с 13% до 4%, что приводит к уменьшению электрических потерь в тяговом электродвигателе постоянного тока последовательного возбуждения, а также к уменьшению его нагрева, улучшению условий коммутации и увеличению отдаваемой им мощности. Дополнительное включение контакторов между свободным выводом якорной обмотки каждого нечетного тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения и плюсом вывода первого выпрямителя позволяет произвести отключение одного или более вышедших из строя тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения во время эксплуатации транспортного средства. Таким образом, все заявленные отличительные признаки в совокупности обеспечивают достижение заявленного технического результата, а именно, повышения эффективности работы тягового электропривода железнодорожного транспортного средства.
На чертеже (фиг. 1) представлена схема тягового электропривода.
Тяговый электропривод железнодорожного транспортного средства содержит четыре тяговых электродвигателя 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, подключенных попарно к выходам выпрямителей 2.1 и 2.2. Обмотки 3.1, 3.2 возбуждения тяговых электродвигателей 1.1, 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения соединены последовательно. Параллельно обмоткам 3.1, 3.2 возбуждения тяговых электродвигателей 1.1 и 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения включен регулятор 4.1 тока возбуждения. Регулятор 4.1 тока возбуждения содержит контакторы 5.1, 5.2 и резисторы 6.1, 6.2. Обмотки 3.3, 3.4 возбуждения тяговых электродвигателей 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения соединены последовательно. Параллельно обмоткам 3.3 и 3.4 возбуждения тяговых электродвигателей 1.3, 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения включен регулятор 4.2 тока возбуждения. Регулятор 4.2 тока возбуждения содержит контакторы 5.3, 5.4 и резисторы 6.3, 6.4. Силовые входы выпрямителей 2.1, 2.2 подключены к шестифазным генераторам 7.1, 7.2 переменного напряжения. Шестифазные генераторы 7.1, 7.2 переменного напряжения механически связанны с тепловыми двигателями 8.1, 8.2. Якорные обмотки 9.1, 9.2 тяговых электродвигателей 1.1, 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения соединены последовательно. Свободный вывод якорной обмотки 9.1 тягового электродвигателя 1.1 постоянного тока последовательного возбуждения подключен к плюсовому выводу выпрямителя 2.1 через контактор 10.1. Свободный вывод обмотки 3.2 возбуждения тягового электродвигателя 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения подключен к минусовому выводу выпрямителя 2.2. Свободный вывод якорной обмотки 9.2 тягового электродвигателя 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения соединен со свободным выводом обмотки 3.1 возбуждения тягового электродвигателя 1.1 постоянного тока последовательного возбуждения. Якорные обмотки 9.3, 9.4 тяговых электродвигателей 1.3, 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения соединены последовательно. Свободный вывод якорной обмотки 9.3 тягового электродвигателя 1.3 постоянного тока последовательного возбуждения подключен к плюсовому выводу выпрямителя 2.1 через контактор 10.2. Свободный вывод обмотки 3.4 возбуждения тягового электродвигателя 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения подключен к минусовому выводу выпрямителя 2.2. Свободный вывод якорной обмотки 9.4 тягового электродвигателя 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения соединен со свободным выводом обмотки 3.3 возбуждения тягового электродвигателя 1.3 постоянного тока последовательного возбуждения. Минусовый вывод выпрямителя 2.1 соединен с плюсовым выводом выпрямителя 2.2. Входы управления тепловых двигателей 8.1, 8.2, управления возбуждением шестифазных генераторов 7.1, 7.2 переменного напряжения, цепи управления контакторов 10.1, 10.2 включения тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения, цепи управления контакторов 5.1, 5.2, 5.3 и 5.4 регуляторов 4.1, 4.2 тока возбуждения подключены к соответствующим выходам контроллера 11.
Тяговый электропривод транспортного средства действует следующим образом.
Тяговые электродвигатели 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения (число тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения равно числу колесных пар железнодорожного транспортного средства) получают питание от выпрямителей 2.1 и 2.2, выполненных по шестифазной мостовой схеме.
Регулирование мощности осуществляют изменением выпрямленного напряжения, подводимого к тяговым электродвигателям 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения. При работающем тепловом двигателе 8.1, напряжение, прикладываемое к тяговым электродвигателям 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, определяется напряжением на выходе выпрямителя 2.1, при этом образуются следующие цепи для тягового тока:
- плюсовой вывод выпрямителя 2.1, контактор 10.1, якорные обмотки 9.1, 9.2 и обмотки 3.1, 3.2 возбуждения тяговых электродвигателей 1.1, 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения, минусовой вывод выпрямителя 2.2, открытые в проводящем состоянии диоды выпрямителя 2.2, минусовой вывод выпрямителя 2.1;
- плюсовой вывод выпрямителя 2.1, контактор 10.2, якорные обмотки 9.3, 9.4 и обмотки 3.3, 3.4 возбуждения тяговых электродвигателей 1.3, 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, минусовой вывод выпрямителя 2.2, открытые в проводящем состоянии диоды выпрямителя 2.2, минусовой вывод выпрямителя 2.1.
При работающем тепловом двигателе 8.2 напряжение, прикладываемое к тяговым электродвигателям 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, определяется напряжением на выходе выпрямителя 2.2, при этом образуются следующие цепи для тягового тока:
- плюсовой вывод выпрямителя 2.2, минусовой вывод выпрямителя 2.1, открытые в проводящем состоянии диоды выпрямителя 2.1, контактор 10.1, якорные обмотки 9.1 и 9.2 и обмотки 3.1 и 3.2 возбуждения тяговых электродвигателей 1.1 и 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения, минусовой вывод выпрямителя 2.2;
- плюсовой вывод выпрямителя 2.2, минусовой вывод выпрямителя 2.1, открытые в проводящем состоянии диоды выпрямителя 2.1, контактор 10.2, якорные обмотки 9.3, 9.4 и обмотки 3.3, 3.4 возбуждения тяговых электродвигателей 1.3, 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, минусовой вывод выпрямителя 2.2.
При одновременно работающих тепловых двигателях 8.1, 8.2 выпрямители 2.1, 2.2 включены на тяговые электродвигатели 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, при этом образуются следующие цепи для тягового тока:
- плюсовой вывод выпрямителя 2.1, контактор 10.1, якорные обмотки 9.1, 9.2 и обмотки 3.1, 3.2 возбуждения тяговых электродвигателей 1.1, 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения, минусовой вывод выпрямителя 2.2, а напряжение, приложенное к последовательно соединенным тяговым электродвигателям 1.1, 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения, определяют суммой выходных напряжений выпрямителей 2.1, 2.2, при этом диапазон изменения выходного напряжения каждого из выпрямителей 2.1, 2.2 определяют контроллером 11, который по соответствующему сигналу управления изменяет возбуждение шестифазных генераторов 7.1, 7.2 переменного напряжения;
- плюсовой вывод выпрямителя 2.1, контактор 10.2, якорные обмотки 9.3, 9.4 и обмотки 3.3, 3.4 возбуждения тяговых электродвигателей 1.3, 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, минусовой вывод выпрямителя 2.2, а напряжение, приложенное к последовательно соединенным тяговым электродвигателям 1.3, 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, определяют суммой выходных напряжений выпрямителей 2.1, 2.2, при этом диапазон изменения выходного напряжения каждого из выпрямителей 2.1, 2.2 определяют контроллером 11, который по соответствующему сигналу управления изменяет возбуждение шестифазных генераторов 7.1, 7.2 переменного напряжения.
Контроллер 11 задает режимы работы тепловых двигателей 8.1, 8.2, вплоть до запуска и остановки любого из них.
При работе железнодорожного транспортного средства контроллер 11 задает режимы работы тепловых двигателей 8.1, 8.2 в зависимости от требуемой мощности и количества наработанных моточасов. Например, у теплового двигателя 8.1 наименьшая наработка по моточасам и требуемая мощность для железнодорожного транспортного средства меньше максимальной мощности, вырабатываемой тепловым двигателем, поэтому контроллер 11 включает в работу тепловой двигатель 8.1. Контроллер 11 задает частоту вращения теплового двигателя 8.1, а также регулирует ток возбуждения шестифазного генератора 7.1 переменного напряжения. Выходное напряжение, шестифазного генератора 7.1 переменного напряжения, выпрямитель 2.1 преобразует в постоянное. Через контакторы 10.1, 10.2 постоянное напряжение поступает на тяговые электродвигатели 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения. При этом тепловой двигатель 8.2 не используют в работе. Соответственно, напряжение на выходе шестифазного генератора 7.2 переменного напряжения отсутствует. На тяговые электродвигатели 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения подают выпрямленное напряжение с выпрямителя 2.1 за вычетом падения напряжения на открытых диодах выпрямителя 2.2.
В случае когда наименьшая наработка по моточасам у теплового двигателя 8.2 и требуемая мощность для транспортного средства меньше максимальной мощности вырабатываемой тепловым двигателем, контроллер включает 11 в работу тепловой двигатель 8.2. Контроллер 11 задает частоту вращения теплового двигателя 8.2, а также регулирует ток возбуждения шестифазного генератора 7.2 переменного напряжения. Выходное напряжение, шестифазного генератора 7.2 переменного напряжения, выпрямитель 2.2 преобразует в постоянное. Через контакторы 10.1, 10.2 постоянное напряжение поступает на тяговые электродвигатели 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения. При этом тепловой двигатель 8.1 не используют в работе. Соответственно, напряжение на выходе шестифазного генератора 7.1 переменного напряжения отсутствует. На тяговые электродвигатели 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения подают выпрямленное напряжение с выпрямителя 2.2 за вычетом падения напряжения на открытых диодах выпрямителя 2.1.
Диапазон мощности железнодорожного транспортного средства при работе от одного из тепловых двигателей, например, от теплового двигателя 8.1, определяют напряжением, приложенным к цепям из четырех тяговых электродвигателей 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, и определяемым максимальным напряжением шестифазного генератора 7.1 переменного напряжения и связанного с ним выпрямителя 2.1.
При необходимости увеличения мощности железнодорожного транспортного средства во время работы теплового двигателя 8.1, контроллер 11 подает сигнал на включение теплового двигателя 8.2. При достижении тепловым двигателем 8.2 заданной частоты вращения от контроллера 11 получает возбуждение шестифазный генератор 7.2 переменного напряжения. Выходное напряжение шестифазного генератора 7.2 переменного напряжения выпрямитель 2.2 преобразует в постоянное и суммирует с выходным напряжением выпрямителя 2.1. За счет этого происходит увеличение выходного напряжения, что приводит к дальнейшему увеличению мощности железнодорожного транспортного средства.
Суммарная сила тяги транспортного средства определяется общим числом работающих тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения.
Для дополнительного расширения диапазона регулирования скорости железнодорожного транспортного средства при постоянной мощности тягового электропривода используют регуляторы 4.1, 4.2 тока возбуждения. При достижении напряжения, дальнейшее увеличение которого ограничивают генераторы 7.1, 7.2 переменного напряжения, контроллер 11 включает контакторы 5.1, 5.3 регуляторов 4.1, 4.2 тока возбуждения. Контактор 5.1 регулятора 4.1 тока возбуждения включает резистор 6.1 регулятора 4.1 тока возбуждения параллельно обмоткам 3.1, 3.2 возбуждения тяговых электродвигателей 1.1, 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения. Контактор 5.3 регулятора 4.2 тока возбуждения включает резистор 6.3 регулятора 4.2 тока возбуждения параллельно обмоткам 3.3, 3.4 возбуждения тяговых электродвигателей 1.3, 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения. Включение резисторов 6.1, 6.3 регуляторов 4.1, 4.2 тока возбуждения приводит к ослаблению поля возбуждения тяговых электродвигателей 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения. Для дальнейшего ослабления поля возбуждения тяговых электродвигателей 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения контроллер 11 включает контакторы 5.2, 5.4 регуляторов 4.1, 4.2 тока возбуждения. Контактор 5.2 регулятора 4.1 тока возбуждения включает резистор 6.2 регулятора 4.1 тока возбуждения параллельно обмоткам 3.1, 3.2 возбуждения тяговых электродвигателей 1.1, 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения. Контактор 5.2 регулятора 4.2 тока возбуждения включает резистор 6.4 регулятора 4.2 тока возбуждения параллельно обмоткам 3.3, 3.4 возбуждения тяговых электродвигателей 1.3, 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения. Включение резисторов 6.2, 6.4 регуляторов 4.1, 4.2 тока возбуждения приводит к дополнительному ослаблению поля возбуждения тяговых электродвигателей 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения. Контроллер 11 отключает контакторы 5.1, 5.2, 5.3 и 5.4 регуляторов 4.1, 4.2 ослабления поля тяговых электродвигателей 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения в обратной последовательности.
Кроме того, контроллер 11 осуществляет включение и отключение пары тяговых электродвигателей 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения при помощи контакторов 10.1, 10.2, что позволяет отключать вышедшие из строя тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения.
В случае если выходит из строя тяговый электродвигатель 1.1 и/или 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения, контроллер 11 отключает контактор 10.1. Контактор 10.1 исключает из работы тягового электропривода тяговые электродвигатели 1.1, 1.2 постоянного тока последовательного возбуждения. В случае когда выходит из строя тяговый электродвигатель 1.3 и/или 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения, контроллер 11 отключает контактор 10.2. Контактор 10.2 исключает из работы тягового электропривода тяговые электродвигатели 1.3, 1.4 постоянного тока последовательного возбуждения.
Заявленная полезная модель прошла стендовые испытания и показала хороший результат, о чем составлен акт испытаний.