ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТЯГОВАЯ СИСТЕМА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ELECTRIC TRACTION SYSTEM FOR DC MOTOR VEHICLE

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для уменьшения пульсаций напряжения потребителей, имеющих в своем составе выпрямительно-инверторные преобразователи, в частности, на электроподвижном составе переменного тока.
В настоящее время электровозы переменного тока работают со значительными пульсациями напряжения в цепи выпрямительной установки и тяговых двигателей, снижающими надежность их работы. Работа электровоза с большими пульсациями напряжения приводит к пробою тиристорных плеч выпрямительной установки и к искрению на коллекторе тягового двигателя, приводящему к круговому огню на коллекторе и выходу выпрямителя и двигателя из строя. Уменьшение пульсаций напряжения осуществляется путем демпфирования формы напряжения на входе выпрямителя или двигателя.
Известна электрическая тяговая система транспортного средства с двигателем постоянного тока [1], которая содержит трансформатор, управляемый выпрямитель, сглаживающий реактор, двигатель и устройства для демпфирования пульсаций напряжения. Управляемый выпрямитель содержит тиристоры, соединенные по мостовой схеме выпрямления. Устройства для демпфирования пульсаций напряжения содержат последовательно соединенные демпфирующий конденсатор и разрядный резистор, а их количество определяется числом тиристоров в управляемом выпрямителе.
Первичная обмотка трансформатора подключена к сети. Вторичная обмотка трансформатора через управляемый выпрямитель связана с последовательно соединенными сглаживающим реактором и двигателем. Каждое устройство для демпфирования пульсаций напряжения подключено параллельно соответствующему тиристору управляемого выпрямителя.
2
d
2
2
Система работает следующим образом. Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход управляемого выпрямителя. Управляемый выпрямитель преобразует переменное напряжение вторичной обмотки u в постоянное напряжение u, подводимое к цепи сглаживающего реактора и двигателя. В открытом (проводящем) состоянии тиристоры передают напряжение вторичной обмотки трансформатора u в цепь сглаживающего реактора и двигателя. В закрытом (непроводящем) состоянии к ним прикладывается обратное напряжение u со стороны вторичной обмотки трансформатора.
2
d
Переключение тиристоров управляемого выпрямителя из открытого состояния в открытое и обратно происходит во время коммутаций, сопровождающихся пульсациями напряжения u и u. После окончания коммутации возникают свободные колебания напряжения, приводящие к искажению формы напряжения в элементах системы.
кр
В непроводящем состоянии при приложении к тиристорам обратного напряжения через цепь разрядных резисторов R происходит заряд демпфирующего конденсатора С, играющего роль накопителя энергии. Разрядные резисторы ограничивают ток разряда демпфирующих конденсаторов. Поскольку по закону коммутации напряжение на конденсаторе быстро измениться не может, напряжение на тиристоре повторяет напряжение на конденсаторе и ограничено постоянной времени τ=RC заряда демпфирующего конденсатора. Ограничение скорости изменения напряжения на тиристорах приводит к отсутствию скачков напряжения на элементах системы. Скачки напряжения между электродами тиристора отсутствуют и скорость нарастания обратного напряжения [du/dt] поддерживается ниже критической [du/dt]. В противном случае в структуре тиристора генерируется неуправляемая составляющая тока, приводящая к его самопроизвольному открытию.
2
В проводящем состоянии тиристоров происходит шунтирование устройств для демпфирования пульсаций напряжения открытыми тиристорами. В это время демпфирующие конденсаторы разряжаются на разрядные резисторы через цепь открытых тиристоров. Скорость уменьшения напряжения на тиристорах определяется величиной разрядного резистора. Таким образом, устройство для демпфирования пульсаций напряжения предотвращает пульсации напряжения u на тиристорах управляемого выпрямителя.
кр
Достоинством известного устройства является повышение надежности работы электровоза за счет повышения надежности управляемого выпрямителя. Это обусловлено тем, что благодаря устройству для демпфирования пульсаций напряжения ограничивается ниже критической скорости нарастания обратного напряжения [du/dt]<[du/dt]. Ограничение нарастания обратного напряжения исключает самопроизвольное открытие тиристоров управляемого выпрямителя и повышает надежность его работы.
d
d
Однако при работе известной системы надежность двигателя остается неизменной. Это обусловлено тем, что устройства для демпфирования пульсаций напряжения ограничивают скорость изменения напряжения на тиристорах управляемого выпрямителя только в непроводящих интервалах времени. При этом снижение пульсаций напряжения происходит только на тиристорах управляемого выпрямителя, а остающиеся значительными пульсации выпрямленного напряжения u приводят к искрению и круговому огню на коллекторе двигателя. В процессе выпрямления демпфирующие цепи оказываются зашунтированными открытыми тиристорами и не влияют на форму выпрямленного напряжения u. Вследствие этого управляемый выпрямитель передает в цепь двигателя напряжение, имеющее высокочастотные пульсации, приводящие к искрению и круговому огню на его коллекторе. Таким образом, надежность работы двигателя остается неизменной и не влияет на повышение надежности работы электровоза.
Наиболее близким по техническим решениям и достигаемому результату является электрическая тяговая система транспортного средства с двигателем постоянного тока [2], которая снижает вышеуказанные недостатки. Она содержит трансформатор, управляемый выпрямитель, сглаживающий реактор, двигатель, неуправляемый выпрямитель и устройство для демпфирования пульсаций напряжения. Неуправляемый выпрямитель содержит вентили, включенные по мостовой схеме выпрямления. Устройство для демпфирования пульсаций напряжения содержит параллельно соединенные демпфирующий конденсатор и разрядный резистор.
Первичная обмотка трансформатора подключена к сети. Вторичная обмотка трансформатора через управляемый выпрямитель связана с последовательно соединенными сглаживающим реактором и двигателем, а также с входом неуправляемого выпрямителя. Устройство для демпфирования пульсаций напряжения подключено к зажимам постоянного напряжения неуправляемого выпрямителя.
2
d
Система работает следующим образом. Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход управляемого выпрямителя. Управляемый выпрямитель преобразует переменное напряжение вторичной обмотки u в постоянное напряжение u, подводимое к цепи сглаживающего реактора и двигателя.
2
d
В процессе преобразования напряжения происходит коммутация тиристоров в управляемом выпрямителе. Процессы коммутации вызывают пульсации напряжения u и u. После окончания коммутации возникают свободные колебания напряжения, приводящие к искажению формы напряжения в преобразователе.
2
с
2
c
2
c
2
Демпфирование высокочастотных колебаний напряжения происходит при превышении напряжения u и напряжения u на демпфирующем конденсаторе. При демпфировании высокочастотных колебаний напряжение вторичной обмотки трансформатора u через неуправляемый выпрямитель поступает в цепь устройства для демпфирования колебаний напряжения. На демпфирующий конденсатор поступает выпрямленное напряжение u, имеющее высокочастотные пульсации. При увеличении пульсации напряжения происходит заряд демпфирующего конденсатора. Поскольку напряжение на конденсаторе (по закону коммутации) быстро измениться не может, происходит уменьшение темпа изменения пульсации напряжения, т.е. процесс демпфирования. При уменьшении напряжения u, вызванного пульсациями, напряжение на конденсаторе u становится больше напряжения u, что приводит к закрытию вентилей неуправляемого выпрямителя. Демпфирующий конденсатор оказывается отключенным от вторичной обмотки трансформатора, поэтому он разряжается на разрядный резистор.
2
d
2
d
Во время подключения демпфирующего конденсатора к вторичной обмотке трансформатора происходит демпфирование напряжения вторичной обмотки трансформатора u и, соответственно, выпрямленного напряжения u на двигателе. Таким образом, устройство для демпфирования пульсаций напряжения уменьшает перенапряжения, связанные с коммутацией, и улучшает форму напряжения, подводимого к управляемому выпрямителю u и к двигателю u.
Достоинством известного устройства является повышение надежности электровоза благодаря уменьшению перенапряжений и улучшение формы напряжения на входе управляемого выпрямителя и двигателя за счет частичного демпфирования высокочастотных колебаний напряжения, что повышает надежность работы управляемого выпрямителя и двигателя.
Однако недостатком известного устройства является то, что существенное улучшение надежности работы управляемого выпрямителя и двигателя происходит только на определенных интервалах времени. Это обусловлено тем, что демпфирование происходит только при увеличении напряжения вторичной обмотки трансформатора. При уменьшении этого напряжения ниже напряжения на демпфирующем конденсаторе он отключается от отмотки трансформатора и не участвует в процессе демпфирования. При отключении конденсатора отсутствует демпфирование напряжения, поэтому в цепь управляемого выпрямителя и двигателя поступают высокочастотные колебания напряжения, что снижает надежность их работы. Вследствие этого надежность его работы остается недостаточно высокой.
В основу изобретения положена задача разработки электрической тяговой системы транспортного средства с двигателем постоянного тока, позволяющей повысить надежность работы электровоза за счет полного исключения высокочастотных пульсаций напряжения на вторичной обмотке трансформатора и двигателя благодаря улучшению работы управляемого выпрямителя и двигателя на всем интервале времени, как при увеличении, так и при уменьшении пульсаций напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Для решения поставленной задачи в известную электрическую тяговую систему транспортного средства с двигателем постоянного тока, содержащую трансформатор, управляемый выпрямитель, сглаживающий реактор, двигатель и устройство для демпфирования пульсаций напряжения с демпфирующим конденсатором, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к сети, а вторичная обмотка через управляемый выпрямитель связана с последовательно соединенными сглаживающим реактором и двигателем, дополнительно введены автономный инвертор тока, датчик напряжения, фильтр, первый и второй элементы сравнения, дельта-модулятор, компаратор, элементы «Исключающее ИЛИ» и «НЕ», при этом выводы демпфирующего конденсатора являются входами устройства для демпфирования пульсаций напряжения, выход автономного инвертора тока и вход датчика напряжения подключены параллельно демпфирующему конденсатору, выход датчика напряжения соединен с входом фильтра, входом компаратора, первым входом первого элемента сравнения и вторым входом второго элемента сравнения, выход фильтра соединен со вторым входом первого элемента сравнения, выход которого связан с первым входом второго элемента сравнения, выход которого через дельта-модулятор связан с первым входом элемента «Исключающее ИЛИ», второй вход которого связан с выходом компаратора, выход элемента «Исключающее ИЛИ» подключен к первому входу автономного инвертора тока напрямую и ко второму входу - через элемент «НЕ».
Заявляемое решение отличается от известного решения (прототипа) наличием новых элементов, а именно автономного инвертора тока, датчика напряжения, фильтра, первого и второго элементов сравнения, дельта-модулятора, компаратора, элементов «Исключающее ИЛИ» и «НЕ» и новой взаимосвязью элементов устройства в целом. Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря отличительным существенным признакам в совокупности с известными существенными признаками полностью исключаются высокочастотные пульсации напряжения на вторичной обмотке трансформатора и двигателе как при увеличении, так и при уменьшении пульсаций напряжения вторичной обмотки трансформатора, что приводит к повышению надежности электровоза.
Одновременно с повышением надежности работы двигателя происходит значительное увеличение к.п.д. электровоза. Это обусловлено увеличением токопроводящего слоя обмоток сглаживающего реактора и двигателя до полного его сечения при исключении (за счет демпфирования) пульсаций напряжения в сглаживающем реакторе и двигателе. Увеличение токопроводящего слоя приводит к уменьшению активного сопротивления проводников и уменьшению в них потерь энергии. Уменьшение потерь энергии в обмотках сглаживающего реактора и двигателя приводит к увеличению к.п.д. электровоза.
Причинно-следственная связь «введение в систему нового демпфирующего устройства приводит к увеличению к.п.д. электровоза» является новой и логически не вытекает из известного уровня техники. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлена схема электрической тяговой системы транспортного средства с двигателем постоянного тока.
На фиг.2 показаны диаграммы выпрямленного напряжения прототипа (a) и заявляемого устройства (в). Последняя получена в результате математического моделирования работы системы с помощью пакета прикладных программ Design Lab [3].
Электрическая тяговая система транспортного средства содержит трансформатор 1, управляемый выпрямитель 2, сглаживающий реактор 3, двигатель 4 и устройство для демпфирования пульсаций напряжения 5.
Устройство для демпфирования пульсаций напряжения содержит демпфирующий конденсатор 6, автономный инвертор тока 7, датчик напряжения 8, фильтр 9, первый 10 и второй 11 элементы сравнения, дельта-модулятор 12 с заданным значением порога срабатывания δ, компаратор 13, элементы «Исключающее ИЛИ» 14 и «НЕ» 15. Автономный инвертор тока 7 выполнен на базе транзисторов, соединенных по мостовой схеме.
Выходы автономного инвертора тока 7 и входы датчика напряжения 8 подключены параллельно демпфирующему конденсатору 6. Выход датчика напряжения 8 соединен с входом фильтра 9, входом компаратора 13, первым входом первого элемента сравнения 10 и вторым входом второго элемента сравнения 11. Выход фильтра 9 соединен со вторым входом первого элемента сравнения 10, выход которого связан с первым входом второго элемента сравнения 11. Выход второго элемента сравнения 11 через дельта-модулятор 12 связан с первым входом элемента «Исключающее ИЛИ» 14, второй вход которого связан с выходом компаратора 13. Выход элемента «Исключающее ИЛИ» 14 подключен к первому входу автономного инвертора тока 7 напрямую и к его второму входу, через элемент «НЕ» 15.
Выводы демпфирующего конденсатора 6 являются входами устройства для демпфирования пульсаций напряжения 5.
Первичная обмотка трансформатора 1 подключена к сети, а вторичная обмотка через управляемый выпрямитель 2 связана с последовательно соединенными сглаживающим реактором 3 и двигателем 4. Выводы устройства для демпфирования пульсаций напряжения 5 подключены параллельно вторичной обмотке трансформатора 1.
В заявляемой электрической тяговой системе транспортного средства с двигателем постоянного тока трансформатор 1, управляемый выпрямитель 2, сглаживающий реактор 3 и двигатель 4 являются типовыми узлами электровоза переменного тока. Фильтр 9, первый 10 и второй 11 элементы сравнения, а также дельта-модулятор 12 реализованы на основе операционных усилителей средней степени интеграции. Автономный инвертор тока 7 состоит из IGBT-транзисторов. В качестве датчика напряжения 8 использован компенсационный датчик на основе эффекта Холла, выпускаемый фирмой LEM.
Электрическая тяговая система транспортного средства с двигателем постоянного тока работает следующим образом.
2
2
Трансформатор 1 передает переменное напряжение необходимого уровня на вход управляемого выпрямителя 2, который преобразует переменное напряжение u вторичной обмотки трансформатора 1 и передает его в цепь сглаживающего реактора 3 и двигателя 4. Переменное напряжение uпоступает к демпфирующему конденсатору 6 устройства для демпфирования пульсаций напряжения 5.
c
2
c
2
~
~
c
c
~
зад
c
зад
c
зад
c
Δ
зад
c
Δ
2
2
зад
c
зад
с
зад
с
c
зад
c
2
c
зад
зад
с
c
2
зад
2
d
Датчик напряжения 8 преобразует напряжение u=u на демпфирующем конденсаторе 6 в сигнал пониженного напряжения и передает его на вход фильтра 9, вход компаратора 13 и входы первого 10 и второго 11 элементов сравнения. Фильтр 9 выделяет из напряжения u демпфирующего конденсатора 6 (напряжения u вторичной обмотки трансформатора 1) переменную составляющую напряжения u, обусловленную высокочастотными пульсациями. На вход первого элемента сравнения 10 поступают переменная составляющая напряжения u и напряжение u, пропорциональное напряжению на демпфирующем конденсаторе. После вычитания из напряжения uнапряжения u на выходе первого элемента сравнения 10 формируется сигнал напряжения, в котором отсутствуют высокочастотные пульсации напряжения. Эта форма напряжения соответствует полному демпфированию высокочастотных колебаний напряжения. Сигнал напряжения на выходе первого элемента сравнения 10 u является заданным при формировании напряжения u на демпфирующем конденсаторе 6. На входы второго элемента сравнения 11 поступают сигналы заданного u и фактического u напряжения на демпфирующем конденсаторе 6. Второй элемент сравнения 11 осуществляет вычитание из заданного напряжения и фактического значения напряжения u на демпфирующем конденсаторе. Разностный сигнал u=u-u поступает на вход дельта-модулятора 12. В зависимости от знака сигнала u на выходе дельта-модулятора 12 формируется сигнал лог.1 или нуля. Элемент «Исключающее ИЛИ» 14 производит коррекцию сигнала дельта-модулятора 12. На второй вход элемента «Исключающее ИЛИ» 14 с выхода компаратора 13 подаются сигналы лог.1 или нуля в зависимости от полярности напряжения u. В этом случае на выходе элемента «Исключающее ИЛИ» 14 формируется сигнал в соответствии с полярностью напряжения u. Этот сигнал поступает на одну пару транзисторов автономного инвертора тока 7 напрямую, а на другую пару транзисторов - через элемент «НЕ» 15. Благодаря этому на выходе автономного инвертора тока 7 в зависимости от соотношения заданного u и фактического u напряжения на конденсаторе протекает разнонаправленный выходной ток. Если u>u, то автономный инвертор тока 7 заряжает демпфирующий конденсатор 6 и увеличивает напряжение на его обкладках. В противном случае (u<u) меняется направление выходного тока и происходит разряд демпфирующего конденсатора 6 и, соответственно, уменьшение на нем напряжения. Таким образом, при увеличении напряжения u на демпфирующем конденсаторе 6 свыше заданного значения uпроисходит разряд демпфирующего конденсатора 6, сопровождающийся уменьшением напряжение u. При этом напряжение u на вторичной обмотке трансформатора 1 также уменьшается. При уменьшении напряжения u ниже заданного u автономный инвертор тока 7 заряжает демпфирующий конденсатор 6 и увеличивает напряжение на нем до заданного уровня. Разность между напряжениями u и u не превышает величины δ, которая задается дельта-модулятором 12. Таким образом, напряжение на демпфирующем конденсаторе u и, соответственно, на вторичной обмотке трансформатора uподдерживается на уровне заданного напряжения u, которое должно быть при полном демпфировании пульсаций напряжения. Демпфирование высокочастотных колебаний в форме напряжения u вторичной обмотки трансформатора приводит к улучшению формы выпрямленного напряжения u, поступающего в цепь сглаживающего реактора 3 и двигателя 4. Благодаря этому повышается надежность управляемого выпрямителя и двигателя и, как следствие, повышается надежность работы электровоза.
d
Из фиг.2 видно, что при работе устройства для демпфирования пульсаций напряжения выпрямленное напряжение u (кривая в) имеет гораздо меньшие пульсации по сравнению с выпрямленным напряжением прототипа (кривая а). Небольшие по величине высокочастотные пульсации, связанные с работой устройства демпфирования, не оказывают заметного влияния на величину пульсаций выпрямленного напряжения.
Использование электрической тяговой системы транспортного средства с двигателем постоянного тока позволяет уменьшить амплитуду пульсаций напряжения вторичной обмотки трансформатора и выпрямленного напряжения со 120 до 15 вольт. За счет отсутствия в схеме потери энергии коэффициент полезного действия системы увеличивается на 1,2%.
Источники информации
1. Чебовский О.Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 400 с.
2. Тихменев Б.Н. и др. Исследование способов демпфирования высокочастотных колебаний в тиристорных преобразователях. Труды ВНИИЖТ. Вып.642. - М.: Транспорт, 1981. С.95-115.
3. В.Д.Разевиг. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. - М.: Солон, 1999.