ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРИВОДА
DIESEL-ELECTRIC DRIVE SYSTEM

Изобретение относится к дизель-электрической системе привода согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к способу стационарного теста на нагрузку дизельного двигателя дизель-электрической системы привода.
Подобная дизель-электрическая система привода известна из DE 10 2007 003 172 A1 и более подробно изображена на фиг.1 в виде схемы замещения. На этой схеме замещения цифрой 2 обозначен дизельный двигатель, цифрой 4 - генератор, в частности, синхронный генератор c постоянным возбуждением, цифрой 6 - выпрямитель 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения и цифрой 8 - соответствующая машина с вращающимся магнитным полем, в частности, асинхронный трехфазный электродвигатель. Выпрямитель 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения содержит со стороны генератора два автономных выпрямителя 10 и 12 импульсного тока, а со стороны нагрузки - два автономных выпрямителя 14 и 16 импульсного тока. Эти автономные выпрямители 10, 12 и 14, 16 импульсного тока с помощью промежуточной цепи 20 напряжения, содержащей конденсатор 18 промежуточной цепи, в частности, конденсаторную батарею промежуточной цепи, электрически соединены между собой по постоянному напряжению. Генератор 4 содержит многофазные системы 22 и 24 обмотки, соединенные, соответственно, с выводами R1, S1, T1 и R2, S2, T2 переменного напряжения обоих автономных выпрямителей 10 и 12 импульсного тока с помощью силовых выключателей 26 и 28. Корреспондирующие выводы R1 и R2, соответственно, S1 и S2, соответственно, T1 и T2 электрически соединены между собой тормозным сопротивлением. Принцип действия этой дизель-электрической системы привода, в частности, в режиме торможения, подробно описан в DE 10 2007 003 172 A1, так что здесь от этого можно отказаться.
На фиг.2 также более подробно изображена схема замещения этой дизель-электрической системы привода. Эта дизель-электрическая система привода отличается от дизель-электрической системы привода на фиг.1 тем, что показано, как реализуются автономные выпрямители 10, 12 и 14, 16 импульсного тока со стороны генератора и нагрузки. Эти автономные выпрямители 10, 12 и 14, 16 импульсного тока реализуются с помощью модулей 32 плеча моста с выпрямителем двойного тока. На фиг.3 более подробно изображена схема замещения этого модуля 32 плеча моста с выпрямителем двойного тока. С помощью трех модулей 32 плеча моста с выпрямителем двойного тока реализованы оба автономных выпрямителя 10 и 12 импульсного тока со стороны генератора, в то время как для реализации каждого автономного выпрямителя 14 и 16 импульсного тока со стороны нагрузки используются три модуля 32 плеча моста с выпрямителем двойного тока. Таким образом, для реализации выпрямителя 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения дизель-электрической системы привода включаются девять модулей 32 плеча моста с выпрямителем двойного тока.
Согласно схеме замещения модуля 32 плеча моста с выпрямителем двойного тока на фиг.3 этот модуль 32 плеча моста с выпрямителем двойного тока содержит два модуля 34 плеча моста, электрически включенных по постоянному напряжению параллельно. Каждый модуль 34 плеча моста имеет два последовательно включенных отключаемых полупроводниковых переключателя 36 и 38, в частности, биполярных транзисторов с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), снабженных корреспондирующими автономно работающими диодами 40 и 42. Точка соединения двух последовательно включенных отключаемых полупроводниковых переключателей 36 и 38 образует, соответственно, вывод R1 и R2, соответственно, S1 и S2, соответственно, T1 и T2 по переменному напряжению. Выводы 44 и 46 по постоянному напряжению каждого модуля 32 плеча моста с выпрямителем двойного тока электрически соединены, соответственно, с потенциалом промежуточной цепи 20 напряжения выпрямителя 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения.
В тяговых дизель-электрических приводах, например, в тепловозах или вагонетках (Mining Trucks), генератор 4, установленный на этом дизельном двигателе, служит для подачи энергии на приводные двигатели. Электрическое напряжение генератора 4 с помощью автономных выпрямителей 10 и 12 импульсного тока со стороны генератора доводится до заранее определенного напряжения промежуточной цепи, которым снабжаются автономные выпрямители 14 и 16 импульсного тока со стороны нагрузки и приводные двигатели 8. При электрическом торможении поток энергии в выпрямителе 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения является диаметрально противоположным. Энергия подается автономными импульсными выпрямителями 14 и 16 импульсного тока со стороны нагрузки в промежуточную цепь 20 напряжения выпрямителя 6 переменного тока. Поскольку дизельный двигатель 2 не может поглощать энергию торможения, энергию торможения с помощью тормозных сопротивлений 30 приходится превращать в тепло. Для непрерывного распределения мощности напряжение с широтно-импульсной модуляцией с помощью обоих автономных выпрямителей 10 и 12 импульсного тока, подается на тормозные сопротивления 30.
Для контроля мощности дизельного двигателя 2, например, после ремонта, проводится так называемый тест Self-load-Test (стационарный тест на нагрузку машины с двигателем внутреннего сгорания). В случае вагонеток (Mining Trucks) восточноевропейских и североамериканских тепловозов этот тест Self-load-Test уже является стандартом. Этот тест Self-load-Test в дизель-электрических системах привода, содержащих синхронный генератор с электрическим возбуждением при последовательном подключении диодного выпрямителя, проводится с транспортным средством на стоянке с помощью тормозных сопротивлений, подпитываемых из промежуточной цепи напряжения с помощью выпрямителя переменного тока, в частности, прерывателя (Chopper). Поскольку мощность электрического тормоза у таких транспортных средств в общем случае соответствует по меньшей мере мощности дизельного двигателя при движении, такой стационарный тест на нагрузку проводится без дополнительного оборудования.
Подобная дизель-электрическая система привода не допускает тест Self-load-Test до максимальной мощности дизельного двигателя без более мощных полупроводниковых переключателей, поскольку при тесте Self-load-Test
а) с одной стороны, вся мощность дизельного двигателя электрически должна подаваться в промежуточную цепь напряжения выпрямителя 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения в виде основной гармоники тока и
б) синхронно эта мощность в виде высших гармоник тока посредством тормозных сопротивлений должна снова передаваться из этой промежуточной цепи напряжения в противоположном направлении.
Это приводит к перегрузке сильноточной электроники дизель-электрической системы привода, если в определенные моменты переключения на амплитуду основной гармоники тока накладываются высшие гармоники тока.
Чтобы при подобной такой дизель-электрической системе привода все же суметь провести тест Self-load-Test, была бы необходима установка в промежуточной цепи напряжения выпрямителя переменного тока промежуточной цепи напряжения дополнительного тормозного прерывателя (Chopper), причем этот тормозной прерыватель (Chopper) должен был бы быть рассчитан на 50 % всей мощности торможения. Этот дополнительный тормозной прерыватель (Chopper) не только привел бы к дополнительным затратам, но и увеличил бы вес тягового выпрямителя переменного тока. Кроме того, в тепловозах с электрической передачей, или в вагонетке (Mining Truck) должно было бы быть достаточно места для установки дополнительного выпрямителя переменного тока.
Таким образом, в основу изобретения положена задача усовершенствования подобной дизель-электрической системы привода в том смысле, чтобы при проведении теста Self-load-Test можно было обойтись без дополнительного тормозного прерывателя (Chopper).
Эта задача согласно изобретению решается с помощью отличительных признаков пункта 1 формулы изобретения в сочетании с признаками его ограничительной части.
Благодаря тому, что каждое тормозное сопротивление делится на два электрически последовательно соединенных сопротивления и причем каждая точка соединения двух электрически последовательно соединенных сопротивлений соединена со входом двухполюсного коммутационного устройства с нейтралером, обе многофазные системы «генератор - статорная обмотка - выпрямитель импульсного тока» развязываются, и в каждую систему включается многофазное сопротивление с половиной величины тормозного сопротивления. У этих развязанных дизель-электрических систем привода в ходе теста Self-load-Test может быть использована естественная тормозная характеристика генератора, в частности, синхронного генератора с постоянным возбуждением, характеристика которого наряду с параметрами самой машины зависит, однако, от числа оборотов и величины трехфазного сопротивления.
Эта характеристика зависит от регулирования реактивного тока. Простейшим случаем было бы подключение конденсаторов параллельно сопротивлениям, что могло вызвать появление емкостного реактивного тока. Однако при увеличении числа оборотов это могло бы привести к увеличению тормозного момента. Наряду с другими дополнительными элементами (конденсаторами), которые были бы не нужны для тяги и тормозного режима транспортного средства, такая установка была бы нерегулируемой.
Эта развязанная дизель-электрическая система привода эксплуатируется согласно изобретению в соответствии с признаками пункта 5 формулы изобретения. После того как последовательное соединение двух сопротивлений отключается и сопротивления каждой подсистемы электрически соединяются в звезду, оба автономных выпрямителя импульсного тока синхронно тактируются и эксплуатируются в режиме фазокомпенсатора. Вследствие этого из заряженной промежуточной цепи напряжения выпрямителя переменного тока промежуточной цепи напряжения генерируется регулируемый реактивный ток. Путем регулирования реактивного тока тормозной момент может устанавливаться в любой точке числа оборотов и таким образом следовать требуемой кривой моментов дизельного двигателя в ходе теста Self-load-Test.
Изобретательский ход заключается в использовании простого и экономичного коммутационного устройства с нейтралером в сочетании с регулированием реактивного тока при наличии автономных выпрямителей импульсного тока со стороны генератора. Благодаря такому усовершенствованию известной дизель-электрической системы привода согласно изобретению в этой системе может быть осуществлен тест Self-load-Test с регулируемым моментом нагрузки уже при отсутствии указанных недостатков.
Для дальнейшего пояснения изобретения делается ссылка на чертеж, на котором схематически наглядно представлен вариант выполнения дизель-электрической системы привода согласно изобретению.
На фиг.1 изображена схема замещения подобной дизель-электрической системы привода,
На фиг.2 - схема замещения реализации системы на фиг.1,
На фиг.3 - схема замещения модуля моста с выпрямителем двойного тока автономных выпрямителей импульсного тока системы привода на фиг.2,
На фиг.4 - схема замещения с вариантом выполнения дизель-электрической системы привода согласно изобретению, причем
На фиг.5 изображен вариант выполнения дизель-электрической системы привода на фиг.4 в состоянии развязки,
На фиг.6 изображена диаграмма различных тормозных характеристик синхронной машины с постоянным возбуждением в функции числа оборотов, и
На фиг.7 наглядно изображена диаграмма временной зависимости форм кривых тока при девятикратном тактировании автономных выпрямителей импульсного тока со стороны генератора в ходе теста Self-load-Test, в то время как
На фиг.8 изображена диаграмма временной зависимости форм кривых тока при блочном тактировании автономных выпрямителей импульсного тока со стороны генератора в ходе теста Self-load-Test.
Вариант выполнения дизель-электрической системы привода согласно изобретению на фиг.4 содержит в качестве тормозных сопротивлений, соответственно, два сопротивления 48 и 50, электрически включенные последовательно. Величина каждого сопротивления 48 и 50 равна половине величины тормозного сопротивления 30 системы привода на фиг.1. Это означает, что тормозное сопротивление разделяется на два конструктивных элемента сопротивления, электрически соединенных последовательно. Каждая точка 52 соединения двух сопротивлений 48 и 50, электрически включенных последовательно, соединена со входом двухполюсного коммутационного устройства 54. Посредством этого двухполюсного коммутационного устройства 54 каждая последовательная схема двух сопротивлений 48 и 50 отключается, и сопротивления 48 и 50 электрически синхронно включаются в звезду. Результат этого действия двухполюсного коммутационного устройства 54 подробно изображен на фиг.5. Благодаря этому усовершенствованию согласно изобретению обе системы «генератор 4 - система обмотки 22 и 24 - автономный выпрямитель 10 и 12 импульсного тока» развязываются, и каждой системе сопротивления выделяются сопротивления 48 и 50.
Благодаря этой полученной схеме (фиг.5) при каждом тесте Self-load-Test может быть использована естественная тормозная характеристика А (генераторный момент) синхронной машины с постоянным возбуждением, изображенная на фиг.6. Однако эта естественная тормозная характеристика А наряду с зависимостью от параметров машины зависит от числа n оборотов и величины сопротивления статора генератора 4. Было бы чистой случайностью, если бы эта характеристика А тормозного момента соответствовала бы характеристике момента дизельного двигателя 2 дизель-электрической системы привода на фиг.6. На диаграмме на фиг.6 также изображена естественная характеристика В тормозного момента в функции числа n оборотов, которая получается при использовании тормозного сопротивления 48 или 50. Это означает, что при характеристике А тормозного момента действует только сопротивление статора синхронного двигателя с постоянным возбуждением, причем при характеристике В тормозного момента используется последовательное соединение сопротивления статора синхронного двигателя с постоянным возбуждением и дополнительным сопротивлением 48 или 50. При увеличении сопротивления положение максимума момента генератора смещается.
Характеристика, как уже упоминалось, зависит от регулирования реактивного тока. В простейшем случае следовало бы электрически подключить параллельно сопротивлениям 48 и 50 конденсаторы. Благодаря этим конденсаторам тормозной момент увеличивался бы с увеличением числа n оборотов. Соответствующая характеристика С тормозного момента на диаграмме на фиг.6 показана в функции числа n оборотов. Однако эта установка была бы нерегулируемой и потребовала бы дополнительных конденсаторов, которые были бы необходимы в режиме тяги и в тормозном режиме.
Вместо применения для регулирования реактивного тока переменных конденсаторов согласно изобретению используются оба автономных выпрямителя 10 и 12 импульсного тока выпрямителя 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения дизель-электрической системы привода со стороны генератора в режиме фазокомпенсатора. Благодаря применению этих автономных выпрямителей импульсного тока в режиме фазокомпенсатора реактивный ток, поставляемый из заряженного конденсатора 18 промежуточной цепи выпрямителя 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения, может регулироваться. Путем регулирования этого реактивного тока тормозной момент может устанавливаться в любой точке числа оборотов и таким образом следовать требуемой кривой моментов дизельного двигателя 2 системы привода в ходе теста Self-load-Test.
В режиме фазокомпенсатора тактируемые выпрямители 10 и 12 импульсного тока вследствие наличия высших гармоник напряжения подпитывают высшими гармониками тока также тормозные сопротивления 48 и 50. Эту активную мощность, которая должна изыматься из промежуточной цепи 20 напряжения выпрямителя 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения этой дизель-электрической системы привода, следует учитывать в общем балансе системы привода для регулирования мощности, рассеиваемой на тормозных сопротивлениях 48 и 50. Однако высшие гармоники тока настолько малы, что они не приводят к перегрузке мощных полупроводниковых приборов обоих автономных выпрямителей 10 и 12 импульсного тока. Во время теста Self-load-Test вспомогательное оборудование может снабжаться энергией из промежуточной цепи 20 напряжения с тем, чтобы могли работать вентиляторы и холодильные установки.
B
M
P
M
P
B
B
M
P
M
P
B
Таким образом, мощность синхронного генератора 4 с постоянным возбуждением должна равняться суммарной мощности потерь на сопротивлениях 48 и 50 и мощности вспомогательного оборудования. Мощность потерь на сопротивлениях 48 и 50 определяется только действующим значением тактируемого напряжения автономных выпрямителей 10 и 12 импульсного тока. Мощность синхронного генератора 4 с постоянным возбуждением определяется углом основной гармоники этого тактируемого напряжения относительно напряжения индуктора синхронного генератора 4 с постоянным возбуждением. На диаграмме на фиг.8 в функции времени изображены тормозной ток i, машинный ток i и ток i выпрямителя тока для девятикратного тактирования во время теста Self-load-Test. Для лучшей наглядности форма кривой машинного тока i изображена прерывистой линией, форма кривой тока i выпрямителя тока - сплошной жирной линией, в то время как форма кривой тормозного тока i изображена сплошной линией. На диаграмме на фиг.8 в функции времени изображены реактивный ток i, машинный ток i и ток i выпрямителя тока для блочного тактирования во время теста переменного тока промежуточной цепи напряжения. На этой диаграмме указанными линиями изображены также формы кривых машинного тока i, тока i выпрямителя тока и тормозного тока i.
Благодаря использованию простого и экономичного коммутационного устройства 54 в сочетании с разделением каждого тормозного сопротивления 30 на два электрически последовательно соединенных сопротивления 48 и 50 и благодаря использованию имеющихся автономных выпрямителей 10 и 12 импульсного тока выпрямителя 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения дизель-электрической системы привода для регулирования реактивного тока в этой системе привода обеспечивается выполнение теста Self-load-Test с регулируемым моментом нагрузки, причем мощные полупроводники автономных выпрямителей 10 и 12 импульсного тока выпрямителя 6 переменного тока промежуточной цепи напряжения этой системы привода не перегружаются.