ЭЛЕКТРОДВИЖИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С КАСКАДНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
ELECTROMOTIVE COMPLEX OF VEHICLE WITH CASCADE ELECTRIC CONVERTER

Изобретение относится к электрическому приводу движительного комплекса автономного транспортного средства, содержащему несколько генераторных агрегатов осуществляющих выработку электрической энергии, каскадный электрический преобразователь и тяговый электродвигатель, выполненные на переменном токе и может быть использовано в качестве устройства регулирования тяги, упора, мощности и скорости транспортного средства.
Известна электродвижительная установка судна (Григорьев А.В., Ляпидов К.С., Макаров Л.С. Единая электроэнергетическая установка гидрографического судна на базе системы электродвижения переменного тока. // Судостроение, 2006, №4, с. 33-34), содержащая первичные тепловые двигатели, с которыми механически соединены синхронные генераторы переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазной линии главного распределительного щита. К шинам трехфазной линии главного распределительного щита подключены потребители собственных нужд и первичные обмотки трансформаторов, к вторичным обмоткам которых подключены входы преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока. Недостатком известной электроэнергетической установки является то, что преобразователи частоты выполнены по схеме двухзвенных преобразователей частоты с двухуровневым инветором напряжения, который имеет низкий показатель качества синтезируемого выходного напряжения для питания гребных электродвигателей, а также то, что преобразователи частоты питаются не напрямую от главного распределительного щита, а через согласующие трансформаторы, что снижает энергетические характеристики судовой электроэнергетической установки, повышает ее стоимость, массу и габариты. К недостаткам также относится искажение напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой преобразователей частоты, так как мощность гребных электроприводов может значительно превышать мощность потребителей собственных нужд.
Известна электродвижительная установка (МПК В63Н 21/17, В63Н 23/24, H02J 3/16, патент RU 2458819 (С1), Заявка: 2011107510/11, 25.02.2011, Васин И.М, Сеньков А.П., Токарев Л.Н., Судовая электроэнергетическая установка (варианты)), содержащая главные первичные тепловые двигатели, главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, преобразователи частоты, гребные электродвигатели, аварийный дизель-генератор, аварийный распределительный щит, согласующие трансформаторы и потребители собственных нужд. На статоре каждого главного синхронного генератора размещены несколько изолированных друг от друга трехфазных обмоток, подключенных к раздельным шинам главного распределительного щита к которому также подключены выпрямители многоуровневых инверторов напряжения и согласующие трансформаторы потребителей собственных нужд. К выходу многоуровневых инверторов напряжения подключены гребные электродвигатели, а к шинам вторичного распределительного щита подключены аварийный и стояночный дизель-генератор. Технический результат такой конструкции обеспечивает повышение качества синтезируемого напряжения для питания гребных электродвигателей, а также повышение К.П.Д. и надежности судовой установки за счет исключения трансформаторов между линиями главного распределительного щита и преобразователями частоты. Недостатками известного устройства является сложная структура системы распределения электроэнергии, используемое нестандартное оборудование изготавливаемое под заказ, большое количество коммутационных аппаратов, сложная схемотехническая реализация многоуровневых преобразователей частоты на основе многоуровневых инверторов напряжения, а также искажения напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой преобразователей частоты. К недостаткам известной установки также можно отнести невозможность использования высокочастотного генераторного агрегата, так как шины главного распределительного щита должны быть рассчитаны на напряжение промышленной частоты 50 Гц для последующего питания потребителей собственных нужд, причем необходимо осуществлять стабилизацию этой частоты для обеспечения качественного питания потребителей собственных нужд.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа судовая электродвижительная установка (МПК В63Н 21/17, В63Н 23/24, патент RU 2529090 (С1), дата подачи заявки 27.03.2013, Калмыков А.Н., Кузнецов В.И., Сеньков А.П., Судовая электроэнергетическая установка), содержащая главные первичные тепловые двигатели, многофазные главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, многоуровневые преобразователи частоты, гребные электродвигатели, аварийный дизель-генератор, аварийный распределительный щит, согласующие многофазные трансформаторы и потребители собственных нужд. На статоре каждого главного синхронного генератора размещены многофазные обмотки, подключенные к раздельным шинам главного распределительного щита к которому также подключены выпрямители многоуровневых преобразователей частоты и согласующие многообмоточные трансформаторы потребителей собственных нужд. К выходу многоуровневых преобразователей частоты подключены гребные электродвигатели, а к шинам вторичного распределительного щита подключены аварийный и стояночный дизель-генератор. Достоинством известной структуры является высокое качество синтезируемого напряжения на выходе многоуровневых преобразователей частоты для питания гребных электродвигателей. Недостатками известной судовой электроэнергетической установки является сложная структура системы распределения электроэнергии, наличие нестандартного, громоздкого и сложного электрооборудования, а также искажения напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой преобразователей частоты. К недостаткам известной установки также можно сложность схемотехнической реализации многоуровневых преобразователей частоты, а так же невозможность использования высокочастотного генераторного агрегата, так как шины главного распределительного щита должны быть рассчитаны на напряжение промышленной частоты 50 Гц для последующего питания потребителей собственных нужд. Еще одним недостатком известной структуры является отсутствие масштабируемости схемы по мощности и невозможность ее использования при больших единичных мощностях тягового электродвигателя.
Технический результат предложения заключается в исключении силового согласующего трансформатора в силовом канале движительной установки, а также возможности реализации электрической передачи мощности тягового транспортного средства с высокими показателями качества синтезируемого напряжения для питания тягового электродвигателя (практически синусоидальное напряжение на выходе электрического преобразователя). Еще одним преимуществом электродвижительного комплекса является использование стандартных промышленно и серийно выпускаемых электрических машин и электрических преобразователей предложенной структуры. Предложенный вариант движительного комплекса позволит реализовать электроэнергетическую установку для любого автономного транспортного средства и практически для любой установленной мощности тягового электродвигателя. Достоинством предложенной электроэнергетической установки является и то, что она может быть построена с использованием высокооборотных безредукторных главных генераторных агрегатов с выходным напряжением повышенной частоты а, следовательно, такое конструктивное решение позволит улучшить массогабаритные и энергетические характеристики. К достоинствам предложения также следует отнести возможность использования в долевых режимах работы электродвижительного комплекса только одного генераторного агрегата а, следовательно, повышается надежность, экономичность при работе и значительно повышается ресурс первичных тепловых двигателей. Таким образом, предлагаемая электроэнергетическая установка движительного комплекса позволяет улучшить эксплуатационные характеристики системы электродвижения, повысить энергетическую эффективность, надежность и характеризуется простой структурой построения и используемыми однотипными простыми и надежными однофазными преобразователями частоты в составе каскадного электрического преобразователя.
Описанные преимущества достигаются тем, что для управления тяговым электродвигателем используется каскадный электрический преобразователь, а для его питания предусмотрены несколько генераторных агрегатов способных работать как раздельно, так и вместе. При этом в качестве электрических генераторов можно использовать стандартные серийно и промышленно выпускаемые генераторы переменного тока с трехфазной обмоткой на статоре.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в электродвижительном комплексе транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем, содержащем систему управления, первичные тепловые двигатели, электрические генераторы переменного тока, автоматические выключатели, электрический преобразователь и тяговый электродвигатель, причем на статоре каждого электрического генератора переменного тока размещена многофазная обмотка, к выходу каждой из которых подключен свой автоматический выключатель, а на выход электрического преобразователя подключен тяговый электродвигатель предусмотрены следующие отличия механически с каждым из первичных тепловых двигателей соединены несколько электрических генераторов переменного тока, количество которых равно числу фаз электрического преобразователя и числу фаз тягового электродвигателя, а электрический преобразователь состоит из однофазных преобразователей частоты, количество которых равно количеству всех электрических генераторов переменного тока и количеству автоматических выключателей, число которых кратно числу фаз тягового электродвигателя, причем многофазная обмотка каждого из электрических генераторов переменного тока через автоматический выключатель подключена к входу своего однофазного преобразователя частоты, а однофазные преобразователи частоты сгруппированы по фазам электрического преобразователя, количество фаз электрического преобразователя равно количеству фаз тягового электродвигателя и содержит такое количество однофазных преобразователей частоты, количество которых равно количеству первичных тепловых двигателей и количеству всех однофазных преобразователей частоты, разделенное на количество фаз тягового электродвигателя, однофазные преобразователи частоты в каждой из фаз электрического преобразователя своими выходными контактами соединены последовательно, начала фаз электрического преобразователя соединены между собой, а концы фаз электрического преобразователя подключены к фазам тягового электродвигателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 - представлен электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем, с тремя (S=3) фазами тягового электродвигателя, тремя фазами электрического преобразователя и таким же количеством электрических генераторов переменного тока сидящих на одном валу с каждым из первичных тепловых двигателей, с двумя (G=2) тепловыми двигателями, с шестью (N=6) шестью электрическими генераторами переменного тока и шестью однофазными преобразователями частоты N=G⋅S (где N - количество однофазных преобразователей частоты, количество автоматических выключателей, количество электрических генераторов переменного тока; S - количество фаз электрического преобразователя, количество фаз тягового электродвигателя, количество электрических генераторов переменного тока сидящих на одном валу с каждым из первичных тепловых двигателей, G - количество первичных тепловых двигателей), на Фиг. 2 - представлен электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем с двумя первичными тепловыми двигателями на валу каждого из которых сидит по три электрических генератора переменного тока, каждый из которых содержит трехфазную обмотку, тремя фазами тягового электродвигателя и электрического преобразователя и шестью однофазными преобразователями частоты и шестью коммутационными аппаратами предназначенными для исключения вышедшего из строя однофазного преобразователя частоты, на Фиг. 3 - представлен электродвижительный комплекс транспортного средства с возможностью осуществления питания потребителей собственных нужд, на Фиг. 4 - представлен электродвижительный комплекс транспортного средства с несколькими независимыми тяговыми электродвигателями, на Фиг. 5 - представлен электродвижительный комплекс транспортного средства с тяговым электродвигателем выполненным в несколькими изолированными обмотками на статоре (многообмоточное исполнение), на Фиг. 6 - представлен электродвижительный комплекс транспортного средства с тяговым электродвигателем выполненным в многоякорном исполнении, на Фиг. 7 - представлена осциллограмма фазного напряжения электрического преобразователя который получает питание от двух генераторных агрегатов, которые выполнены с различным уровнем номинального напряжения; на Фиг. 8 - представлена таблица которая отображает связь числа генераторных агрегатов и однофазных преобразователей частоты, включенных последовательно и выполненных на разный уровень напряжения в каждой из фаз электрического преобразователя с числом уровней напряжения на его выходе.
Электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем, схема которого представлена на Фиг. 1 (для варианта электродвижительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем с двумя первичными тепловыми двигателями G=2, с тремя фазами тягового электродвигателя и тремя фазами электрического преобразователя S=3 и таким же количеством электрических генераторов переменного тока сидящих на одном валу с каждым из первичных тепловых двигателей, с шестью электрическими генераторами переменного тока и шестью однофазными преобразователями частоты N=6), содержащий систему управления 1, первичные тепловые двигатели 2-1÷2-G, электрические генераторы переменного тока 3-1÷3-N, автоматические выключатели 4-1÷4-N, электрический преобразователь 5 и тяговый электродвигатель 6. На статоре каждого электрического генератора переменного тока 3-1÷3-N размещена многофазная обмотка, к выходу каждой из которых подключен свой автоматический выключатель 4-1÷4-N. На выход электрического преобразователя 5 подключен тяговый электродвигатель 6. Механически с каждым из первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G соединены несколько электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-S (3-(S+1)÷3-2⋅S…3-((N/S-1)⋅S+1)÷3-N). Количество электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-S (3-(S+1)÷3-2⋅S…3-((N/S-1)⋅S+1)÷3-N) равно числу фаз электрического преобразователя 5 и числу фаз тягового электродвигателя 6. Электрический преобразователь 5 состоит из однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, количество которых равно количеству всех электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N и количеству автоматических выключателей 4-1÷4-N, число которых кратно числу фаз тягового электродвигателя 6. Многофазная обмотка каждого из электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N через автоматический выключатель 4-1÷4-N подключена к входу своего однофазного преобразователя частоты 7-1÷7-N. Однофазные преобразователи частоты 7-1÷7-N сгруппированы по фазам 8-1÷8-S электрического преобразователя 5. Количество фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 равно количеству фаз тягового электродвигателя 6 и содержит такое количество однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, количество которых равно количеству первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G и количеству всех однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, разделенное на количество фаз тягового электродвигателя 6. Однофазные преобразователи частоты 7-1÷7-N в каждой из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 своими выходными контактами соединены последовательно, начала фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 соединены между собой, а концы фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 подключены к фазам тягового электродвигателя 6.
Электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем, схема которого представлена на Фиг. 2 (для варианта электродвижительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем с двумя первичными тепловыми двигателями G=2, с тремя фазами тягового электродвигателя и тремя фазами электрического преобразователя S=3 и таким же количеством электрических генераторов переменного тока, сидящих на одном валу с каждым из первичных тепловых двигателей, с шестью электрическими генераторами переменного тока и шестью однофазными преобразователями частоты N=6) может дополнительно содержать коммутационные аппараты 9-1÷9-N, количество которых равно количеству однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N электрического преобразователя 5. Силовые контакты каждого из коммутационных аппаратов 9-1÷9-N подключены параллельно выходным контактам однофазного преобразователя частоты 7-1÷7-N.
Электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем схема которого представлена на Фиг. 3 (для варианта электродвижительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем с двумя первичными тепловыми двигателями G=2, с тремя фазами тягового электродвигателя и тремя фазами 8-1÷8-S электрического преобразователя S=3 и таким же количеством электрических генераторов переменного тока сидящих на одном валу с каждым из первичных тепловых двигателей, с шестью электрическими генераторами переменного тока и шестью однофазными преобразователями частоты N=6) может дополнительно содержать автоматические выключатели 10-1÷10-(N+2), дополнительный электрический преобразователь 11, главный распределительный щит 12, вспомогательный дизель-генератор 13, накопитель электрической энергии 14 с согласующим электрическим преобразователем 15, потребители собственных нужд 16. Часть автоматических выключателей 10-1÷10-N, количество которых равно суммарному количеству изолированных многофазных обмоток электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N, включены между изолированными многофазных обмотками электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N и входами дополнительного электрического преобразователя 11. Выход дополнительного электрического преобразователя 11 через автоматический выключатель 10-(N+1) подключен к главному распределительному щиту 12. К главному распределительному щиту 12 подключены: через автоматический выключатель 10-(N+2) вспомогательный дизель-генератор 13; через согласующий электрический преобразователь 15 накопитель энергии 14; потребители собственных нужд 16.
Электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем схема которого представлена на Фиг. 4 (для варианта электродвижительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем с двумя первичными тепловыми двигателями G=2, с тремя фазами каждого из тяговых электродвигателей и тремя фазами каждого из электрических преобразователей S=3 и тремя электрическими генераторами переменного тока, сидящими на одном валу с каждым из первичных тепловых двигателей, с шестью электрическими генераторами переменного тока и шестью однофазными преобразователями частоты N=6 в каждом из электрических преобразователей) может содержать несколько тяговых электродвигателей 6-1÷6-K со своими электрическими преобразователями 5-1÷5-K и со своими группами автоматических выключателей 17-1÷17-K. Входы каждой группы автоматических выключателей 17-1÷17-K подключены к своему электрическому генератору переменного тока 3-1÷3-N.
Электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем схема которого представлена на Фиг. 5 (для варианта электродвижительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем с двумя первичными тепловыми двигателями G=2, с тремя фазами каждого из электрических преобразователей S=3 и тремя электрическими генераторами переменного тока сидящими на одном валу с каждым из первичных тепловых двигателей, с шестью электрическими генераторами переменного тока и шестью однофазными преобразователями частоты N=6 в каждом из электрических преобразователей) может содержать тяговый электродвигатель 6 выполненный многообмоточным с изолированными обмотками на статоре и электрические преобразователи 5-1÷5-K со своими группами автоматических выключателей 17-1÷17-K. Количество электрических преобразователей 5-1÷5-K со своими группами автоматических выключателей 17-1÷17-K равно количеству изолированных обмоток тягового электродвигателя 6. Выходы электрических преобразователей 5-1÷5-K подключены каждый к своей изолированной обмотке тягового электродвигателя 6, а входы каждой группы автоматических выключателей 17-1÷17-K каждого из электрических преобразователей 5-1÷5-K подключены к своему электрическому генератору переменного тока 3-1÷3-N.
Электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем, схема которого представлена на Фиг. 6 (для варианта электродвижительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем с двумя первичными тепловыми двигателями G=2, с тремя фазами каждого из электрических преобразователей S=3, с шестью электрическими генераторами переменного тока и шестью однофазными преобразователями частоты N=6 в каждом из электрических преобразователей) может содержать тяговый электродвигатель 6 выполненный в много якорном исполнении и электрические преобразователи 5-1÷5-K со своими группами автоматических выключателей 17-1÷17-K. Количество электрических преобразователей 5-1÷5-K со своими группами автоматических выключателей 17-1÷17-K равно количеству якорей 18-1÷18-K тягового электродвигателя 6. Выходы электрических преобразователей 5-1÷5-K подключены каждый к своему якорю 18-1÷18-K тягового электродвигателя 6. Входы каждой группы автоматических выключателей 17-1÷17-K каждого из электрических преобразователей 5-1÷5-K подключены к своему электрическому генератору переменного тока 3-1÷3-N.
Электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем, схема которого представлена на Фиг. 1 (для варианта электродвижительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем с двумя первичными тепловыми двигателями G=2, с тремя фазами тягового электродвигателя и тремя фазами электрического преобразователя S=3 и таким же количеством электрических генераторов переменного тока сидящих на одном валу с каждым из первичных тепловых двигателей, с шестью электрическими генераторами переменного тока и шестью однофазными преобразователями частоты N=6), может быть выполнен так что электрические генераторы переменного тока 3-1÷3-N механически соединенные к разными первичными тепловыми двигателями 2-1÷2-G выполнены на разный уровень напряжения. Причем электрические генераторы переменного тока 3-1÷3-S первого первичного теплового двигателя 2-1, подключенные к однофазным преобразователям частоты 7-1÷7-(G⋅S) первого уровня электрического преобразователя 5 выполнены на номинальное напряжение, которое составляет половину от номинального выходного напряжения электрического преобразователя 5. Номинальное напряжение электрических генераторов переменного тока второго 3-(S+1)÷3-S⋅2 и последующего 3-(S⋅2+1)÷3-N первичного теплового двигателя 2-2÷2-G, подключенные к однофазным преобразователям частоты 7-(S+1)÷7-S⋅2 ((7-(S⋅2+1)÷7-S⋅3)÷(7-(N-S+1)÷7-N)) каждого последующего уровня в два раза меньше номинального напряжения электрических генераторов переменного тока 3-1, 3-2 (3-3÷3-(N-1)) предыдущего уровня.
Работа электродвижительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем происходит следующим образом.
d
d
d
В электродвижительном комплексе транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем, представленным на Фиг. 1 источниками электрической энергии являются генераторные агрегаты, каждый из которых состоит из первичного теплового двигателя 2-1 (2-2÷2-G) на одном валу с которым установлены электрические генераторы переменного тока 3-1÷3-S ((3-(S+1)÷3-2⋅S)÷(3-(N-S+1)÷3-N)). Причем все электрические генераторы переменного тока 3-1÷3-N могут быть реализованы на стандартных серийно выпускаемых электрических машинах. Благодаря такой конструкции генераторных агрегатов появляется возможность независимого питания однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N электрического преобразователя 5. При этом электрический преобразователь 5 выполнен по схеме каскадного преобразователя частоты с использованием простых и надежных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N сгруппированных по фазам 8-1÷8-S электрического преобразователя 5, количество которых равно количеству фаз тягового электродвигателя 6. Фазы 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 состоят из групп последовательно соединенных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N. Каждый из однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N выполнен на стандартных низковольтных компонентах и может иметь различную схему, при этом на выходе каждого преобразователя частоты 7-1÷7-N могут быть синтезированы три различных мгновенных уровня выходного напряжения: U, 0 и -U, где U - средний уровень напряжения звена постоянного тока однофазного преобразователя частоты 7-1÷7-N. При этом мгновенные уровни напряжении синтезируемые однофазными преобразователями частоты 7-1÷7-N формируются согласованно для того чтобы получить требуемый уровень мгновенного фазного (линейного) напряжения на выходе электрического преобразователя 5 для питания тягового электродвигателя 6. Так при одинаковом номинальном напряжении каждого из электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N и при количестве последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, в каждой из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5, равным G обеспечивается 3+2⋅(G-1) уровней выходного фазного напряжения. Так при шести электрических генераторах переменного тока 3-1÷3-N (двух однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N фазы 8-1÷8-S электрического преобразователя 5) электродвижительного комплекса с каскадным электрическим преобразователем возможно получение пяти уровней фазного напряжения. При трех электрических генераторах переменного тока 3-1÷3-N (девяти однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N фазы 8-1÷8-S электрического преобразователя 5) электродвижительного комплекса с каскадным электрическим преобразователем возможно получение семи уровней фазного напряжения и так далее. Благодаря такой топологии электрического преобразователя 5 можно синтезировать практически синусоидальное напряжение для питания тягового электродвигателя 6.
Несмотря на то, что частота коммутации в каждом однофазном преобразователе частоты 7-1÷7-N ограничена частотой коммутации используемых полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей, появляется возможность сдвига мгновенного синтезируемого напряжения каждым из однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N при этом эквивалентная частота коммутации напряжения приложенного к нагрузке увеличивается кратно числу однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N в каждой из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5. Увеличение эквивалентной частоты коммутации ведет к уменьшению потерь на переключение силовых ключей в каждом из однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N. Предложенная структура электрического преобразователя 5 позволяет снизить скорость нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке и помогает избежать резонансов электромагнитных процессов происходящих в электроприводе.
В долевых режимах работы электродвижительного комплекса с каскадным электрическим преобразователем может быть использован один или несколько электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N из всего их количества. При этом в однофазных преобразователях частоты 7-1÷7-N подключенных каждый к своему электрическому генератору переменного тока 3-1÷3-N должны быть включены силовые транзисторы коллекторной или эмиттерной группы. При этом значительно снижаются динамические потери (потери на переключение) в силовых модулях электрического преобразователя 5. Следует отметить, что в этом случае тяговый электродвигатель 6 будет работать с мощностью ограниченной мощностью работающих электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N, а так же будет снижено качество синтезируемого напряжения и уменьшен уровень мгновенного напряжения на выходе электрического преобразователя 5 на величину кратную выведенным из работы электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N. Такой режим работы электродвижительного комплекса с каскадным электрическим преобразователем обеспечит повышение коэффициента загрузки первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G и значительно увеличит их ресурс работы. В случае выхода из строя либо отказа одного (либо нескольких при работающем хотя бы одном) первичного теплового двигателя 2-1÷2-G либо электрического генератора переменного тока 3-1÷3-N электродвижительный комплекс с каскадным электрическим преобразователем остается работоспособным и будет продолжать работать с ограничением по выходной мощности на валу тягового электродвигателя 6.
На случай отказа одного из однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N в схеме электродвижительного комплекса транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем, изображенным на Фиг. 2 предусмотрена установка коммутационных аппаратов 9-1÷9-N. При возникновении аварийной ситуации или отказа одного из однофазных преобразователей частоты 7-1 (7-2÷7-N) коммутационный аппарат 9-1 (9-2÷9-N) зашунтирует выходные контакты неисправного однофазного преобразователя частоты 7-1 (7-2÷7-N) исключая его из последовательной цепи фазы 8-1 (8-2÷8-S) электрического преобразователя 5. При этом исправные однофазные преобразователи частоты 7-1÷7-N могут продолжать работать и синтезировать требуемые уровни напряжении электрического преобразователя 5 для питания тягового электродвигателя 6. Данная схема может быть использована и в рабочем долевом режиме работы движительного комплекса, когда выведен из работы один либо несколько из всего количества первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G со своей группой электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-S ((3-(S+1)÷3-2⋅S)÷(3-(N-S+1)÷3-N)) и своей группой однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-S ((7-(S+1)÷7-2⋅S)÷(7-(N-S+1)÷7-N)) при этом будут зашунтированы однофазные преобразователи частоты 7-1÷7-S ((7-(S+1)÷7-2⋅S)÷(7-(N-S+1)÷7-N)) подключенные к неработающим электрическим генераторам переменного тока 3-1÷3-S ((3-(S+1)÷3-2⋅S)÷(3-(N-S+1)÷3-N)).
Для осуществления питания потребителей собственных нужд 16 от одного либо нескольких электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N электродвижительный комплекс транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем, схема которого представлена на Фиг. 3 снабжена дополнительным электрическим преобразователем 11 который согласует напряжения электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N и потребителей собственных нужд. Для дозагрузки по мощности электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N электродвижительного комплекса транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем может быть снабжен накопителем электрической энергии 14 с согласующим электрическим преобразователем 15. Накопитель электрической энергии 14 будет запасать энергию в долевых режимах работы электродвижительного комплекса транспортного средства, когда происходит работа с малой нагрузкой на валу тягового электродвигателя 6. В те моменты времени, когда идет разгон тягового электродвигателя 6 электрическая энергия для питания потребителей собственных нужд будет потребляться из накопителя энергии 14. Согласующий электрический преобразователь 15 осуществляет управление потоками энергии между источниками и потребителями данной энергосистемы. В случае стоянки транспортного средства, когда нет необходимости в работе первичных тепловых двигателей 2-1÷2-G, электрическая энергия для питания потребителей собственных нужд 16 может быть получена от накопителя электрической энергии 14 через согласующий электрический преобразователь 15 либо от вспомогательного дизель-генератора 13. Автоматические выключатели 10-1÷10-(N+2) осуществляют набор различных вариантов схемы для реализации всевозможных режимов работы электродвижительного комплекса транспортного средства.
Предложенные схемы электродвижительного комплекса транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем позволяют реализовать электрическую передачу на транспортном средстве практически неограниченной мощности, поскольку напряжение для питания тягового электродвигателя 6 набирается из напряжений низковольтных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, которые имеют простую схемотехническую реализацию и высокую степень надежности. Еще одним достоинством предложенного электродвижительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем является его модульная структура, которая обеспечивает гибкость построения электродвижительного комплекса транспортного средства с различным исполнением и различным числом тяговых электродвигателей 6, с различным номинальным уровнем напряжении как электрических генераторов переменного тока 3-1÷3-N, так и тягового электродвигателя 6. К достоинствам предложения следует отнести использование стандартного промышленно выпускаемого оборудования и элементов структурной схемы движительного комплекса транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем.
На Фиг. 4 изображен движительный комплекс транспортного средства, в котором предусмотрена одновременная работа нескольких тяговых электродвигателей 6-1÷6-K со своими электрическими преобразователями 5-1÷5-K и со своими группами автоматических выключателей 17-1÷17-K.
Электродвижительный комплекс транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем, схема которого представлена на Фиг. 5 может содержать тяговый электродвигатель 6 выполненный многообмоточным с изолированными обмотками на статоре. Такое схемное решение позволит значительно поднять единичную установленную мощность тягового электродвигателя 6. В такой структуре каждая изолированная обмотка тягового электродвигателя 6 управляется своим электрическим преобразователем 5-1÷5-K. Огромным достоинством такой структуры (Фиг. 5) является то, что в случае отказа одного из электрических преобразователей 5-1÷5-K целиком электродвижительная установка транспортного средства может продолжать работу с пропорциональным уменьшением мощности на валу тягового электродвигателя 6.
Электродвижительный комплекс транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем, схема которого представлена на Фиг. 6 имеет абсолютно такие же функциональные свойства, что и структура, изображенная на Фиг. 5. Использование много якорного исполнения тягового электродвигателя 6 независимыми якорями 18-1÷18-K позволяет использовать стандартные электрические машины.
С целью повышения качества синтезируемого напряжения на выходе электрического преобразователя 5 электродвижительный комплекс транспортного средства, с каскадным электрическим преобразователем, схема которого представлена на Фиг. 1 может быть выполнена так, что электрические генераторы переменного тока (3-1÷3-S)÷(3-(N-S+1)÷3-N)) выполнены на разный уровень напряжения. При этом мгновенные напряжения, синтезируемые однофазными преобразователями частоты 7-1, 7-2÷7-S первого уровня и последующих 7-(S+1), 7-(S+2)÷7-S⋅2; 7-(2⋅S+1),  уровней различны и определяются согласно закону: мгновенное выходное напряжение однофазного преобразователя частоты первого уровня составляет половину от номинального выходного напряжения электрического преобразователя 5, а мгновенные номинальные напряжения однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N каждого последующего уровня 7-(S+1), 7-(S+2)÷7-S⋅2; 7-(2⋅S+1),  в два раза меньше номинального напряжения однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N предыдущего уровня. На Фиг. 7 представлена осциллограмма фазного напряжения электрического преобразователя 5 фаза 8-1 (8-2÷8-S) которого состоит, из двух последовательно соединенных однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, которые выполнены с различными уровнями напряжения питания. Как видно на осциллограмме Фиг. 7 такой электрический преобразователь позволяет синтезировать девять уровней мгновенных напряжении при формировании фазного напряжения электрического преобразователя 5. На Фиг. 8 представлена таблица, которая наглядно отображает связь числа однофазных преобразователей частоты 7-1÷7-N, выполненных на разный уровень напряжения, включенных последовательно в каждой из фаз 8-1÷8-S электрического преобразователя 5 с числом уровней напряжения на выходе электрического преобразователя 5.
Таким образом, предложенный электродвижительный комплекс транспортного средства с каскадным электрическим преобразователем обладает следующими достоинствами:
- исключение силового согласующего трансформатора рассчитанного на полную мощность электропривода движительного комплекса транспортного средства (предложенная структура исключает недостатки использования каскадного электрического преобразователя в общепромышленном применении);
- использование простого серийно выпускаемого оборудования и элементной базы, высокая степень унификации, ремонтопригодности и взаимозаменяемости;
- высокая энергетическая эффективность, повышение коэффициента загрузки и повышение ресурса первичных тепловых двигателей за счет возможности использования такого их количества чтобы обеспечить требуемую текущую мощность на валу тягового электродвигателя;
- высокое качество синтезируемого напряжения для питания тягового электродвигателя, низкий уровень гармоник и нелинейных искажении в форме напряжения и тока;
- модульность предложенной структуры обеспечивает унификацию и стандартизацию используемых элементов, а также простоту диагностики, ремонта и замены вышедшего из строя элемента;
- масштабируемость обеспечивается гибкостью построения системы с возможностью повышения напряжения питания тягового электродвигателя путем подключения дополнительных однофазных преобразователей частоты;
- использование низковольтных элементов и компонентов электрического преобразователя при этом такая структура позволяет управлять мощной, высоковольтной нагрузкой;
- увеличение эквивалентной частоты коммутации электрического преобразователя по отношению к частоте коммутации каждого из однофазных преобразователей частоты;
- снижение скорости нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке и помогает избежать резонансов электромагнитных процессов происходящих в электроприводе тягового электродвигателя;
- электрический преобразователь собирается из простых однофазных преобразователей частоты;
- возможность использования высокооборотного первичного теплового двигателя, который обладает лучшими массогабаритными и энергетическими характеристиками, а так же значительно увеличенным ресурсом;
- предложенная структура позволяет реализовать электропривод движительного комплекса транспортного средства практически неограниченной мощности при ограничениях, наложенных на параметры используемых силовых ключей в однофазных электрических преобразователях;
- высокая степень надежности благодаря простым, отработанным и низковольтным однофазным преобразователям частоты, а также возможностью безболезненного исключения из работы, вышедшего из строя однофазного преобразователя частоты либо генераторного агрегата.