ЭЛЕКТРОВОЗ С ПИТАНИЕМ ОТ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а точнее к электровозам постоянного тока.
Известны и широко используются на железных дорогах электровозы с питанием от контактной сети постоянного тока напряжением 3 кВ, содержащие тяговые электродвигатели постоянного тока и пусковые резисторы [1].
Их недостатки связаны с особенностями двигателей постоянного тока - наличием коллекторно-щеточного узла, который ограничивает возможности двигателя и соответственно электровоза по мощности и по питающему напряжению, в том числе но напряжению в контактной сети.
Эти недостатки частично устранены в электровозах с асинхронными тяговыми электродвигателями [2]. При этом возможны варианты с повышением напряжения в контактной сети до 24 кВ.
В качестве прототипа принят электровоз с питанием от контактной сети постоянного тока, содержащий токоприемник, выключатель, к которому подключен входной преобразователь для понижения напряжения, асинхронные тяговые электродвигатели, входные клеммы которых соединены с выходом входного преобразователя [3].
Недостаток прототипа состоит в сложности структуры и низкой энергетической эффективности входного преобразователя, который содержит трансформатор большой массы.
Техническое решение по данной заявке заключается в том, что в качестве входного преобразователя использован импульсный индуктивно-емкостной преобразователь с последовательно соединенными ключевым элементом, дросселем и конденсатором, а также с диодами, причем общая точка дросселя и конденсатора соединена с заземляющим устройством, а выходные клеммы преобразователя подключены к конденсатору.
Сущность полезной модели показана на принципиальной схеме по фиг. 1, где показаны токоприемник 1, главный выключатель 2, входной фильтр 3, заземляющее устройство 4. Тяговые модули 5 выполнены многоблочными и содержат каждый идентичные блоки, соединенные параллельно. Каждый модуль содержит ключевой элемент 6, выполненный по типовой схеме [4] на тиристорах или транзисторах, дроссель 7, конденсатор 8, диоды 9 и 10, которые соединены как показано на фиг. 1. Положительный выход ключевого элемента 6 - это общая точка конденсатора 8 и дросселя 7, которая заземлена. Она подключена к положительному входу автономного инвертора 11, причем к отрицательному выходу ключевого элемента 6 автономный инвертор подключен через разделительный диод 12. Трехфазный выход инвертора 11 соединен с асинхронным тяговым электродвигателем 13. Инвертор 11 выполнен по типовой схеме трехфазного инвертора напряжения с регулированием частоты [4].
Количество тяговых модулей 5 определяется мощностью электровоза, т.е. суммарной мощностью электродвигателей 13.
N
KC
min
max
C max
KC
L
L
L
C
Электровоз работает следующим образом. Входное напряжение U=U через токоприемник 1, главный выключатель 2, фильтр 3 прикладывается к ключевым элементам 6 в тяговых модулях 5. Ключевые элементы работают с постоянной частотой , а коэффициент заполнения  постепенно увеличивают от γ≈0 до γ, когда конденсаторы 8 будут заряжены до напряжения U (примерно 1200…1300 В), обеспечивающего максимальную скорость электровоза. При замкнутом ключевом элементе 6 напряжение U приложено к дросселю 7 и ток i в нем нарастает. При разомкнутом ключевом элементе 6 образуется цепь "7-8-9-7" и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор 8 током i, который постепенно уменьшается. В следующем периоде T работы ключевого элемента 6 процесс повторяется. При этом изменением у можно регулировать среднее значение тока I и напряжение на конденсаторе U.
АД
C
Далее это напряжение прикладывается ко входу инвертора 11 и преобразуется в трехфазное напряжение с необходимой для двигателя 13 частотой f=2…160 Гц. Таким образом реализуется частотное регулирование асинхронного двигателя, причем напряжение устанавливается ключевым элементом 6, а частота - инвертором 11. При трогании электровоза сначала устанавливают минимальное напряжение U=50…70 В и минимальную частоту f=2…4 Гц. Затем по мере разгона электровоза увеличивают напряжение и частоту примерно пропорционально скорости движения электровоза по одному из известных законов частотного или векторного управления асинхронным тяговым двигателем.
KC
Данная система может быть использована при любом напряжении контактной сети U. При повышенных напряжениях должно быть исключено попадание высокого напряжения на инверторы 11 и электродвигатели 13. Поэтому ниже рассмотрены возможные аварийные режимы.
Пробой или постоянное замыкание ключевого элемента приводит к замыканию через дроссель на землю 4 и отключению электровоза главным выключателем 2. На конденсатор 8, инвертор 11 и электродвигатель 13 напряжение не попадает.
Пробой диода 9 приводит к образованию цепи короткого замыкания при замкнутом ключевом элементе 6 через диод 10; электровоз при этом отключается главным выключателем.
KC
Пробой изоляции дросселя 7 и конденсатор 8 также не приводит к попаданию напряжения U на автономный инвертор 11 и электродвигатель 13.
Технико-экономический эффект данной полезной модели заключается в упрощении электрооборудования электровоза и возможности создания системы электрической тяги с повышенным напряжением в контактной сети.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Осипов С.И., Осипов С.С., Феоктистов В.П. Теория электрической тяги. М.: Маршрут, 2006, 436 с.
2. Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. Рига: Зинатне, 1991, 351 с.
3. Тиристорное управление электрическим подвижным составом постоянного тока. Розенфельд В.Е., Шевченко В.В., Майбога В.А., Долаберидзе Г.П. М.: Транспорт, 1976, 240 с.
4. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. М.: Транспорт, 1999, 466 с.
Авторы:
1. Феоктистов Валерий Павлович, докт. техн. наук, профессор кафедры "Электрическая тяга", адрес: 127018, г. Москва, ул. Полковая, д. 20, кв. 5
2. Иньков Юрий Моисеевич, докт. техн. наук, профессор кафедры "Электрическая тяга", ардес: 111398, г. Москва, Кусковская ул., д. 5, кв. 156
3. Литовченко Виктор Васильевич, канд. техн. наук, доцент кафедры "Электрическая тяга", адрес: 119021, г. Москва, переулок Хользунова, д. 10, кв. 19
4. Бредихина Яна Алексеевна, студентка гр. АТЭ-411, лаборант кафедры "Электрическая тяга", адрес: 301369, Тульская обл., г. Алексин, ул. 50 лет Октября, д. 12, кв. 9