ТЯГОВЫЙ ПРИВОД
TRACTION DRIVE

Изобретение относится к тяговому электроприводу электроподвижного состава переменного тока с электродвигателями постоянного тока и может быть использовано на электровозах и электропоездах.
Известен тяговый привод электровоза переменного тока, содержащий выпрямитель, в полупроводниковые плечи которого подключены выводы вторичных обмоток тягового трансформатора, контакты переключателя трансформатора для переключений обмоток трансформаторов к выпрямителю через переходные реакторы. К выходу выпрямителя подключены сглаживающие реакторы, последовательно с которыми соединены тяговые двигатели последовательного возбуждения (Магистральные электровозы. Электрические аппараты, полупроводниковые преобразователи, системы управления. // Под ред. В.И.Бочарова, Б.А.Тушканова. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 384 с.: ил. на стр.204, рис.7.3).
Этот привод характеризуется простотой конструкции, однако не обладает независимым возбуждением тяговых двигателей, что существенно ухудшает тяговые свойства электроподвижного состава.
Наиболее близким по технической сущности является привод электровоза, содержащий выпрямительно-инверторный преобразователь, к выходному зажиму с положительным потенциалом напряжения которого последовательно подключены сглаживающий реактор, обмотка якоря тягового двигателя постоянного, преимущественно пульсирующего, тока, первый перекидной контакт тормозного переключателя в нормальном положении, подключенный к неподвижному контакту первой контактной группы реверсивного переключателя, а в другом положении подключенный ко входу балластного резистора. К подвижному контакту первой контактной группы упомянутого реверсивного переключателя подключена обмотка возбуждения, к выходу которой подключен подвижный контакт второй контактной группы упомянутого реверсивного переключателя, подвижный контакт первой контактной группы реверсивного переключателя выполнен с возможностью подключения к неподвижному контакту второй контактной группы реверсивного переключателя, нормально открытый подвижный контакт второй контактной группы тормозного переключателя выполнен с возможностью подключения к выпрямительной установке возбуждения. Неподвижный контакт второй контактной группы реверсора подключен через второй перекидной контакт тормозного переключателя к общей точке соединения зажима выпрямительно-инверторного преобразователя с отрицательным потенциалом и выхода балластного резистора, катодная цепь выпрямительной установки возбуждения подключена между первым неподвижным контактом перекидной контактной группы тормозного переключателя. Параллельно обмотке возбуждения подключен секционированный резистор ослабления возбуждения. Секции резистора имеют выводы, подключаемые контактами контактора. Между выходом обмотки возбуждения и резистором ослабления возбуждения подключен индуктивный шунт через контакт контактора (Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации. /Б.А.Тушканов, Н.Г.Пушкарев, Л.А.Позднякова и др. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с., ил., табл. См. рис.3.1 на стр.28-29).
Привод не обеспечивает возможность независимого возбуждения главных полюсов двигателя в основном режиме работы привода - режиме тяги. Схема привода предусматривает независимое возбуждение только в режиме рекуперации.
Для реализации ослабления поля электродвигателя использованы секционированные резисторы ослабления возбуждения с контакторами для подключения соответствующих выводов. Эти резисторы обладают значительными габаритными размерами. Схема привода обеспечивает медленную ликвидацию нестационарных режимов работы, возникающих вследствие наброса напряжения в контактной сети, отрыва-касания токоприемника от контактного провода и в прочих ситуациях.
Задачей изобретения является создание тягового привода, обеспечивающего независимое возбуждение в режиме тяги и электрического рекуперативного торможения, а также обеспечивающего защиту электрооборудования при независимом возбуждении двигателей не хуже, чем при последовательном возбуждении в режиме толчка напряжения и режиме потери-восстановления питания вследствие отрыва-касания токоприемника.
Поставленная задача решается тем, что в тяговый привод переменного тока, содержащий выпрямительно-инверторный преобразователь, к выходному зажиму с положительным потенциалом напряжения которого последовательно подключены сглаживающий реактор, обмотка якоря тягового двигателя, преимущественно пульсирующего тока, перекидной контакт тормозного переключателя, в нормальном положении подключенный к неподвижному контакту, а в другом положении имеющий связь с нормально открытым неподвижным контактом, подключенным к входу балластного резистора, выход балластного резистора подключен к выходному зажиму выпрямительно-инверторного преобразователя с отрицательным потенциалом напряжения, обмотку возбуждения, обеими клеммами подключенную к нормально закрытым контактным группам реверсоров, из которых первая группа подвижным контактом подключена к обмотке возбуждения, а неподвижным контактом к неподвижному нормально замкнутому контакту тормозного переключателя и нормально открытому неподвижному контакту второй контактной группы реверсора, неподвижный нормально открытый контакт первой контактной группы соединен с неподвижным нормально замкнутым контактом второй контактной группы реверсора, к неподвижным нормально замкнутым контактам обоих контактных групп реверсоров подключен статический возбудитель, зажимом с отрицательным потенциалом подключенный ко второй контактной группе реверсора, а положительным потенциалом подключенный к первой контактной группе реверсора и к выходному зажиму выпрямительно-инверторного преобразователя с отрицательным потенциалом напряжения, последовательно с обмоткой возбуждения подключен индуктивный шунт, дополнительно введены новые признаки - индуктивный шунт зашунтирован нормально закрытым контактом и подключен к выходному зажиму возбудителя с положительным потенциалом напряжения, к выходу индуктивного шунта анодом подключен диод, зашунтированный нормально открытым контактом, а катод диода подключен к общей точке соединения нормально закрытого неподвижного контакта тормозного переключателя и нормально закрытого неподвижного контакта первой контактной группы реверсора, при этом возбудитель зашунтирован нормально открытым контактом.
В качестве силовых управляемых полупроводниковых приборов возбудителя могут использоваться тиристоры или биполярные транзисторы с изолированным затвором.
Возбудитель 9 получает питание от стороннего источника питания. Возбудитель 9 может быть выполнен как по мостовой схеме, так и по схеме с нулевым диодом или по схеме с нулевым выводом.
Один выпрямительно-инверторный преобразователь может питать несколько параллельно соединенных обмоток якорей. Также и один возбудитель 9 может питать несколько параллельно или последовательно соединенных обмоток возбуждения 7.
Положительный эффект изобретения проявляется в том, что предлагаемое техническое решение позволит обеспечить независимое возбуждение электродвигателей во всех режимах работы привода, в том числе в режиме тяги.
При этом создаются условия для повышения защитных свойств привода в нестационарных режимах работы привода, таких как наброс напряжения в контактной сети, отрыв-касание токоприемника от контактного провода.
На чертеже показана схема тягового привода с коллекторными тяговыми двигателями.
Тяговый привод содержит выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) 1, к выходному зажиму с положительным потенциалом напряжения которого последовательно подключены сглаживающий реактор (CP) 2, обмотка якоря (ОЯ) 3 тягового двигателя, преимущественно пульсирующего тока, перекидной контакт тормозного переключателя 4, в нормальном положении подключенный к неподвижному контакту, а в другом положении имеющий связь с нормально открытым неподвижным контактом, подключенным к входу балластного резистора 5, выход которого подключен к выходному зажиму выпрямительно-инверторного преобразователя 1 с отрицательным потенциалом напряжения, обмотку возбуждения 7 тягового двигателя, обеими клеммами подключенную к нормально закрытым контактным группам соответственно 6 и 8 реверсоров, из которых первая группа 6 подвижным контактом подключена к обмотке возбуждения 7, а неподвижным контактом к неподвижному нормально замкнутому контакту тормозного переключателя 4 и нормально открытому неподвижному контакту второй контактной группы 8 реверсора, неподвижный нормально открытый контакт первой контактной группы 6 реверсора имеет связь с неподвижным нормально замкнутым контактом второй контактной группы реверсора, к неподвижным нормально замкнутым контактам обоих контактных групп 6 и 8 реверсоров подключен статический возбудитель 9, зажимом с отрицательным потенциалом подключенный ко второй контактной группе 8 реверсора, а положительным потенциалом подключенный к первой контактной группе 6 реверсора и к выходному зажиму выпрямительно-инверторного преобразователя 1 с отрицательным потенциалом напряжения, последовательно с обмоткой возбуждения 7 подключен индуктивный шунт 10. Индуктивный шунт 10 подключен к выходному зажиму возбудителя 9 с положительным потенциалом напряжения, к другому выходу индуктивного шунта 10 анодом подключен диод 11, зашунтированный нормально открытым контактом 12, катод диода 11 подключен к общей точке соединения нормально закрытого неподвижного контакта тормозного переключателя 4 и нормально закрытого неподвижного контакта первой контактной группы 6 реверсора. Индуктивный шунт 10 зашунтирован нормально замкнутым контактом 13. Возбудитель 9 зашунтирован нормально открытым контактом 14.
Нормальное состояние контактных элементов соответствует режиму тяги с независимым возбуждением обмотки 7 двигателя, а также направлению вращения двигателя «вперед», т.е. когда ток протекает сначала через контакт контактной группы 6 реверсора, затем, минуя обмотку возбуждения 7, через нормально замкнутую контактную группу 8 реверсора.
Для реверсирования подвижные контакты реверсора переключают в противоположное состояние. Тогда путь тока возбуждения составит сначала через контакт контактной группы 8 реверсора, затем, минуя обмотку возбуждения 7, через контактную группу 6 реверсора.
На чертеже представлен пример тягового привода при питании одного тягового двигателя от выпрямительно-инверторного преобразователя 1.
В случае питания нескольких двигателей от одного ВИП обмотки якорей подключаются параллельно. При этом для исключения влияния генераторного тока одного двигателя на другие между выходом каждой обмотки якоря и тормозного переключателя должен быть установлен диод, анодом подключенный к выводу обмотки якоря.
Тяговый привод работает следующим образом.
Режим тяги при последовательном (сериесном) возбуждении
В режиме тяги (питание от контактной сети) путь тока составит: положительный зажим ВИП 1, CP 2, ОЯ 3, нормально замкнутый контакт тормозного переключателя 4, нормально замкнутая контактная группа 6 реверсора, обмотка возбуждения 7, нормально замкнутая контактная группа 8 реверсора, замкнутый контакт 14, зажим ВИП 1 с отрицательным потенциалом напряжения.
Переход в режим независимого возбуждения двигателя
Для перехода в режим независимого возбуждения обмотки 7 из последовательного размыкают контакт 14 и запускают возбудитель 9. После того как возбудитель 9 начинает вырабатывать заданный ток, реализуется независимое возбуждение.
Режим тяги при независимом возбуждении
В режиме независимого возбуждения путь тока якоря составит: положительный зажим ВИП 1, CP 2, ОЯ 3, нормально замкнутый контакт тормозного переключателя 4, нормально замкнутая контактная группа 6 реверсора, обмотка возбуждения 7, нормально замкнутая контактная группа 8 реверсора, зажим возбудителя 9 с отрицательным потенциалом напряжения.
Цепь протекания тока возбуждения проходит через зажим возбудителя 9 с положительным потенциалом напряжения, нормально замкнутый контакт 13, диод 11, нормально замкнутую контактную группу 6 реверсора, обмотку возбуждения 7, нормально замкнутую контактную группу 8 реверсора, зажим возбудителя 9 с отрицательным потенциалом напряжения.
Режим рекуперативного торможения
При рекуперативном торможении переключают тормозной переключатель 4 в положение, при котором подвижный контакт замкнут с неподвижным нормально разомкнутым контактом, переключают контактные группы реверсора 6 и 8, и ток возбуждения меняет направление. Ток якоря направления не меняет, т.к. ВИП переходит в инверторный режим.
В режиме рекуперативного торможения путь тока якоря составит: зажим ВИП 1 с отрицательным потенциалом напряжения, затем через балластный резистор 5, контакт тормозного переключателя 4, обмотку якоря 3, сглаживающий реактор 2, зажим ВИП 1 с положительным потенциалом напряжения. Цепь возбуждения замыкается через зажим возбудителя 9 с положительным потенциалом напряжения, нормально замкнутый контакт 13, диод 11, нормально замкнутую контактную группу 6 реверсора, обмотку возбуждения 7, нормально замкнутую контактную группу 8 реверсора, зажим возбудителя 9 с отрицательным потенциалом напряжения.
Назначение балластного резистора - обеспечение устойчивости внешней характеристики ВИП 1 в режиме рекуперативного торможения.
Режим ослабления поля в режиме тяги
В этом режиме замыкают контакт 12, размыкают контакт 14, запускают в работу возбудитель 9. Необходимые соотношения якоря и возбуждения определяются значением напряжения возбудителя 9.
Главным элементом новизны в указанном техническом решении является наличие диода 11, шунтированного нормально открытым контактом 12, включенного между обмоткой возбуждения 7 и возбудителем 9, а также контакта 14, шунтирующего индуктивный шунт 10. Наличие диода 11 способствует развязыванию контуров протекания токов якоря и возбуждения, обеспечивает «подпитку» обмотки возбуждения 7 током возбудителя 9 при резко возникающей нестабильности тока якоря.
Наличие нормально замкнутого контакта 13 исключает протекание тока через индуктивный шунт 10 в режиме тяги, что исключает потери мощности в нем. В указанном приводе через индуктивный шунт 10 ток протекает только в режиме ослабления поля в тяге.
Возбудитель 9 может быть реверсивным, т.е. благодаря использованию схемы возбудителя 9 с двухсторонней проводимостью энергии можно достичь исключения контактных групп 6 и 8 реверсора из цепи обмотки возбуждения 7. При необходимости контактные группы 6 и 8 реверсора можно установить в цепь обмотки якоря 3.
Данное техническое решение обеспечивает работу привода с независимым возбуждением в режимах тяги и рекуперации, смену режимов работы привода с последовательного возбуждения двигателей на независимое без потери силы тяги.
При этом привод обеспечивает защиту тяговой цепи в режиме бросков напряжения и «потери-восстановления» электропитания при независимой работе двигателей в режиме ослабления поля, благодаря стабилизирующему влиянию индуктивности индуктивного шунта 10 на характер протекания переходных процессов в приводе. При этом организация защиты при независимом возбуждении не хуже, чем при последовательном возбуждении.
В предлагаемом приводе, в сравнении с прототипом, сокращается номенклатура оборудования тягового привода: исключается резистор ослабления возбуждения с контактами для переключения выводов и контактная группа тормозного переключателя.
Следует отметить, что благодаря указанному техническому решению можно существенно повысить технические характеристики огромного парка существующего тягового привода электровозов и электропоездов переменного тока путем незначительной переделки схемы подключения элементов привода - индуктивного шунта 10, диода 11, контактов 12, 13 и 14. При этом из состава тягового привода высвобождается габаритное оборудование - резистор ослабления возбуждения с контактами, один из двух тормозных переключателей.