УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано в тяговых электроприводах транспортных средств, например, троллейбусов, трамваев и метрополитена.
Известно устройство регулирования тягового электропривода (Теория и расчет электрооборудования подвижного состава городского электрического транспорта. М., «Высшая школа», 1976, Ефремов И.С., Косарев Г.В., с.310), содержащее питаемый от контактной сети тяговый электродвигатель последовательного возбуждения, регулятор тока якоря электродвигателя и регулятор ослабления магнитного потока электродвигателя, состоящий из цепи, содержащей транзистор ослабления магнитного потока, и подключенный параллельно этой цепи резистор ограничения напряжения.
При работе рассматриваемого устройства в тормозном режиме в цепь, подключенную параллельную обмотке возбуждения электродвигателя, включен балластный резистор, что способствует повышению тормозных свойств электропривода при движении транспортного средства на высоких скоростях и низких значениях напряжения контактной сети. Недостатком этого устройства является невысокая эффективность электрического торможения при отсутствии подключенных к контактной сети потребителей электроэнергии.
Известно другое устройство регулирования тягового электропривода постоянного тока (Блок ИП ЕЦАИ.656151.012 Э3), содержащее тяговый электродвигатель, первый вывод обмотки возбуждения которого соединен посредством первого контактора с первым выводом конденсатора фильтра,
второй вывод которой посредством балластного резистора, шунтированного вторым контактором, соединен с первым выводом обмотки якоря электродвигателя, второй вывод которой соединен коллектором первого транзистора, эмиттер которого соединен со вторым выводом конденсатора фильтра, соединенного при этом своими выводами с одноименными выводами контактной сети, три резистора, первый из которых включен параллельно цепи, образованной последовательно соединенными обмоткой возбуждения и балластным резистором, второй - последовательно со вторым транзистором, образуя при этом цепь, включенную параллельно первому резистору, третий резистор включен посредством третьего контактора между первым выводом конденсатора фильтра и вторым выводом обмотки возбуждения, тормозной резистор, первым выводом соединенный с первым выводом конденсатора фильтра, а вторым - с коллектором третьего транзистора, соединенного при этом своим эмиттером со вторым выводом конденсатора фильтра, три диода, анод первого из которых соединен со вторым выводом обмотки якоря электродвигателя, катод - с первым выводом конденсатора фильтра, анод второго - со вторым выводом конденсатора фильтра, катод - с вторым выводом обмотки возбуждения, третий диод включен параллельно цепи, содержащей тормозной резистор, при этом катод третьего диода соединен с первым выводом конденсатора фильтра. В этом устройстве, как и в вышеописанном, включение резистора в цепь, параллельную цепи, в которую включен транзистор ослабления магнитного потока, способствует ограничению коммутационных перенапряжений на указанном транзисторе, а включение балластного резистора в цепь, подключенную в тормозном режиме параллельно обмотке возбуждения электродвигателя, способствует повышению тормозных свойств электропривода при движении транспортного средства на высоких скоростях и низких значениях напряжения контактной сети. Достоинством рассматриваемого устройства, в сравнении с вышеописанным, является наличие дополнительных тормозного резистора и транзистора, что позволяет обеспечить замещающее реостатное торможение при отсутствии подключенных к
контактной сети потребителей. Однако в этом случае электрическая энергия, вырабатываемая электродвигателем в процессе электрического торможения, преобразуется в тепловую энергию, выделяемую на тормозном резисторе, не производя при этом полезной работы, что приводит к повышению энергии, потребляемой электроприводом транспортного средства из контактной сети.
Технической задачей, решаемой в заявляемом устройстве, является понижение количества энергии, потребляемой электроприводом транспортного средства из контактной сети, за счет полного использования энергии рекуперативного торможения и повышение надежности работы транспортного средства, а также расширению области его применения. Указанная задача в заявляемом устройстве регулирования тягового электропривода, содержащем тяговый электродвигатель, первый вывод обмотки возбуждения которого соединен посредством первого контактора с первым выводом конденсатора фильтра, второй вывод которой посредством балластного резистора, шунтированного вторым контактором, соединен с первым выводом обмотки якоря электродвигателя, второй вывод которой соединен коллектором первого транзистора, эмиттер которого соединен со вторым выводом конденсатора фильтра, соединенного при этом своими выводами с одноименными выводами контактной сети, три резистора, первый из которых включен параллельно цепи, образованной последовательно соединенными обмоткой возбуждения и балластным резистором, второй - последовательно со вторым транзистором, образуя при этом цепь, включенную параллельно первому резистору, третий резистор включен посредством третьего контактора между первым выводом конденсатора фильтра и вторым выводом обмотки возбуждения, тормозной резистор, первым выводом соединенный с первым выводом конденсатора фильтра, а вторым - с коллектором третьего транзистора, соединенного при этом своим эмиттером со вторым выводом конденсатора фильтра, три диода, анод первого из которых соединен со вторым выводом обмотки якоря электродвигателя, катод - с первым выводом конденсатора фильтра, анод второго - со вторым выводом конденсатора фильтра, катод - с вторым выводом
обмотки возбуждения, третий диод включен параллельно цепи, содержащей тормозной резистор, при этом катод третьего диода соединен с первым выводом конденсатора фильтра, решается за счет того, что оно дополнительно снабжено конденсатором накопителя энергии, четвертым контактором, а также четвертым и пятым диодами, при этом первый вывод конденсатора накопителя энергии соединен с анодом третьего диода, второй вывод - со вторым выводом конденсатора фильтра, четвертый диод включен в цепь, шунтируемую третьим диодом таким образом, что анод четвертого диода соединен со вторым выводом тормозного резистора, его катод - с анодом третьего диода, пятый диод соединен анодом со вторым выводом обмотки якоря электродвигателя, катодом - с первым выводом конденсатора накопителя энергии, а первые выводы конденсатора фильтра и контактной сети соединены между собой посредством четвертого контактора. Наличие указанных дополнительных элементов позволяет накапливать электрическую энергию, вырабатываемую в тормозном режиме в электродвигателе, в конденсаторе накопителя энергии и в последующем расходовать ее на выполнение полезной работы (например, на питание тягового электродвигателя в тяговом режиме, мотор-компрессора и блока питания низковольтных цепей). При отсутствии напряжения на каком-либо участке контактной сети, например, вследствие его повреждения, соответствующий участок пути может быть преодолен транспортным средством при питании его тягового электропривода от конденсатора накопителя энергии, что способствует повышению надежности работы и снижению вынужденных простоев транспортного средства. Кроме того, транспортное средство с предлагаемым устройством может быть использовано на маршрутах, с участками, не оборудованными контактной сетью (например, с железнодорожными переездами), что расширяет область применения транспортных средств с предлагаемым электроприводом.
При определенных условиях может оказаться экономически целесообразным применение конденсатора накопителя энергии с предельно допустимым значением напряжения, меньшим максимально возможного значения
напряжения контактной сети. В этом случае предлагаемое устройство снабжено пятым контактором и шестым диодом, при этом второй вывод конденсатора накопителя энергии соединен со вторым выводом конденсатора фильтра посредством параллельно соединенных пятого контактора и шестого диода, соединенного при этом своим катодом со вторым выводом конденсатора накопителя энергии. Это позволяет исключить возможность недопустимого повышения напряжения на конденсаторе накопителя энергии посредством выключения пятого контактора (например, по сигналу соответствующего датчика напряжения).
На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства.
Тяговый электропривод содержит тяговый электродвигатель постоянного тока, якорная обмотка 1 и обмотка возбуждения 2 которого соединены между собой посредством балластного резистора 3, шунтированного контактором 4, и подключены посредством контактора 5 и транзистора 6 к конденсатору 7 фильтра, который при этом соединен с контактной сетью 8 посредством контактора 9. Параллельно цепи, содержащей обмотку 2 возбуждения электродвигателя и балластный резистор 3 включен резистор 10, а также цепь, содержащая последовательно соединенные транзистор 11 и резистор 12. Между первым выводом конденсатора 7 и вторым выводом обмотки 2 возбуждения электродвигателя посредством контактора 13 включен резистор 14. Между точкой соединения якорной обмотки 1 и транзистора 6 включен диод 15, а между вторым выводом конденсатора 7 фильтра и вторым выводом обмотки 2 возбуждения электродвигателя включен диод 16. Между первым и вторым выводами конденсатора 7 фильтра включены тормозной резистор 17 и транзистор 18. Первый вывод конденсатор 19 накопителя энергии соединен с первым выводом конденсатора 7 фильтра посредством диода 20 и параллельно включенной ему цепи, состоящей из тормозного резистора 17 и диода 21, второй вывод конденсатора 18 накопителя энергии соединен со вторым выводом конденсатора 7 фильтра посредством параллельно соединенных контактора 22 и диода 23. Кроме того, второй вывод якорной
обмотки 1 электродвигателя соединен с первым выводом конденсатора 20 накопителя энергии посредством диода 24.
Электропривод работает следующим образом.
В тяговом режиме при движении на малых скоростях включены контакторы 9, 5 и 4. Регулирование тока в якорной обмотке 1 электродвигателя осуществляется регулированием напряжения, прикладываемого к последовательно соединенным якорной обмотке 1 и обмотке 2 возбуждения (элементы системы автоматического регулирования на схеме не показаны), посредством периодического (с периодом времени Т) включения транзистора 6 с коэффициентом регулирования k=Δt/T (Δt - время включенного состояния транзистора 6). При включенном состоянии транзистора 6 и величине напряжения контактной сети 8, превышающей величину напряжения на конденсаторе 20 накопителя энергии, ток протекает по цепи: «контактная сеть 8 - контактор 9 - контактор 5 - параллельное соединение цепи, содержащей обмотку 2 возбуждения и контактор 4, с резистором 10 - якорная обмотка 1 - транзистор 6 - контактная сеть 8». При этом токи в цепях якорной обмотки 1 и обмотки 2 возбуждения увеличиваются с постоянными времени контуров, по которым замыкаются эти токи. При величине напряжения на конденсаторе 19 накопителя энергии, превышающей величину напряжения контактной сети 8, отпираются диоды 20 и 23, в результате чего в цепи якорной обмотки 1 протекает составляющая тока, замыкающаяся по цепи: «конденсатор 19 накопителя энергии - диод 20 - контактор 5 - параллельное соединение цепи, содержащей обмотку 2 возбуждения и контактор 4, с резистором 10 - якорная обмотка 1 электродвигателя - транзистор 6 - диод 23 - конденсатор 19 накопителя энергии». Величина указанной составляющей якорного тока определяется разностью между напряжением на конденсаторе 19 накопителя энергии и напряжением контактной сети 8, а также соотношением внутренних сопротивлений указанных элементов.
При выключенном состоянии транзистора 6 токи якорной обмотки 1 и обмотки 2 возбуждения под действием ЭДС самоиндукции указанных обмоток
протекают по цепи: «якорная обмотка 1 электродвигателя - диод 15 - контактор 5 - параллельное соединение цепи, содержащей обмотку 2 возбуждения и контактор 4, с резистором 10 - якорная обмотка 1 электродвигателя». Кроме указанных контуров замыкания токов, переменные составляющие тока якорной обмотки 1 и тока контактной сети 8, обусловленные коммутацией транзистора, осуществляющего регулирование, протекают по цепи конденсатора 7 фильтра. Это относится и ко всем нижерассматриваемым режимам работы электропривода.
Следует отметить, что в рассматриваемом режиме регулирования постоянная составляющая тока в обмотке 2 возбуждения электродвигателя несколько меньше постоянной составляющей тока в якорной обмотке 1 вследствие шунтирующего влияния первого резистора 10. Однако степень ослабления магнитного потока в этом случае не превышает (3-5)% вследствие существенного (по крайней мере, на порядок) превышения сопротивления резистора 10 над сопротивлением обмотки 2 возбуждения электродвигателя.
При постоянстве заданного значения тока в цепи якорной обмотки 1 коэффициент регулирования транзистора 6 с увеличением скорости движения транспортного средства также увеличивается, и при определенной скорости транзистор 6 открывается полностью. Дальнейшее поддержание заданной величины тока якорной обмотки 1 осуществляется ослаблением магнитного потока электродвигателя посредством изменения коэффициента регулирования транзистора 11.
При включенном состоянии транзистора 11 резистор 12, сопротивление которого выбрано соизмеримым с сопротивлением обмотки 2 возбуждения, подключается параллельно цепи, содержащей обмотку 2 возбуждения, в результате чего ток в последней уменьшается с постоянной времени, определяемой параметрами элементов контуров: «обмотка 2 возбуждения - резистор 12 - транзистор 13 - контактор 4 - обмотка 2 возбуждения» и «обмотка 2 возбуждения - резистор 10 - контактор 4 - обмотка 2 возбуждения». При выключении транзистора 11 ток, ранее протекавший по цепи « резистор
12 - транзистор 11», переключается в цепь резистора 10, что приводит к возрастанию напряжения, приложенного к обмотке 2 возбуждения, и, соответственно, к повышению протекающего по ней тока с постоянной времени контура «обмотка 2 возбуждения - резистор 10 - контактор 4 - обмотка 2 возбуждения». При увеличении скорости движения транспортного средства и поддержании заданного значения тока в якорной обмотке 1 посредством регулирования транзистора 11 коэффициент регулирования последнего также увеличивается. При этом составляющая тока, протекающего в цепи транзистора 11 (при его включенном состоянии) или в цепи резистора 10 (при выключенном состоянии транзистора 11) увеличивается, а отношение среднего значения тока в обмотке 2 возбуждения к среднему значению тока в якорной обмотке 1 уменьшается, т.е. уменьшается степень ослабления магнитного потока электродвигателя, а электродвигатель при этом работает в режиме постоянной мощности.
При достижении определенной скорости движения транзистор 11 открывается полностью. Степень ослабления магнитного потока, обеспечиваемая при этом, минимальна и в первом приближении (без учета влияния сопротивления проводов между элементами 2, 4, 10, 11 и 12, а также без учета падения напряжения на транзисторе 11) равна:
αmin=R2·R10·R12/(R2·(R10+R12)+R10·R12),
где R2, R10 и R12 - сопротивления, соответственно, обмотки 2 возбуждения и резисторов 10 и 12.
Дальнейшее повышение скорости движения транспортного средства происходит при постоянной степени ослабления магнитного потока и сопровождается уменьшением тока якорной обмотки 1 по мере увеличения скорости. Следует отметить, что выбором определенной величины сопротивления резистора 12 обеспечивается предельно-допустимое по коммутационным условиям на коллекторе электродвигателя значение αmin.
При переходе в режим выбега (движения «накатом») выключаются контактор 5 и контактор 4. В случае, если напряжение контактной сети 8 выше напряжения на конденсаторе 19 накопителя энергии и напряжение на конденсаторе 19 накопителя энергии не превышает допустимого значения, включается и контактор 22. Включенное состояние контактора 22 обеспечивает замыкание цепи для заряда конденсатора 19 накопителя энергии от контактной сети по контуру: «контактная сеть 8 - контактор 9 - тормозной резистор 17 - диод 21 - конденсатор 19 накопителя энергии - контактор 22 - контактная сеть 8». Наличие в указанном контуре тормозного резистора 17 обеспечивает защиту конденсатора 19 накопителя энергии от недопустимых токов при больших превышениях напряжения контактной сети 8 относительно напряжения на конденсаторе 19 накопителя энергии.
При переходе в тормозной режим контактор 22 остается во включенном состоянии (а если до этого контактор 22 был выключен, то он включается), контактор 9 выключается, а контактор 13 включается кратковременно, на (0,3-1,5)с. Одновременно с включением контактора 13 подается отпирающие сигналы в цепи управления транзисторов 6 и 11.
При открытом состоянии транзистора 6 и транзистора 11 и включенном состоянии контактора 13 ток протекает по цепи: «конденсатор 19 накопителя энергии - диод 20 - контактор 13 - резистор 14 - обмотка 2 возбуждения - резистор 12 - транзистор 11 - якорная обмотка 2 - транзистор 6 -контактор 22 - конденсатор 19 накопителя энергии». При этом по резистору 10 и балластному резистору 3 также протекают токи, но их значения существенно меньше значений токов, протекающих по цепям, шунтирующим эти резисторы. Максимальная величина тока якорной обмотки 1 ограничена на уровне 10% от номинального значения величиной сопротивления резистора 14. Ток, протекающий по обмотке 2 возбуждения, наводит в магнитной системе электродвигателя поток, направление которого встречно его направлению в тяговом режиме, в результате чего в якорной обмотке 1 наводится ЭДС, под действием которой в контуре «якорная обмотка 1 - транзистор
6 - диод 16 - обмотка 2 возбуждения - резистор 12 - транзистор 11 - якорная обмотка 1» протекает ток, под влиянием которого магнитный поток электродвигателя увеличивается, т.е. электродвигатель входит в режим самовозбуждения. При достижении током якорной обмотки 1 величины уставки транзисторы 6 и 11 переходят (по сигналу не показанному на схеме датчика тока) в режим регулирования этого тока. При этом регулирование тока якорной обмотки 1 может производиться, в зависимости от скорости движения, транзистором 11 (при скоростях движения выше определенной) при постоянной (минимальной) величине коэффициента регулирования транзистора 6, или транзистором 6. (Следует отметить, что в рассматриваемом случае описывается один из возможных способов управления транзисторами 6 и 11).
При торможения на высоких скоростях при выключенном состоянии транзистора 11 ток, ранее протекавший по транзистору 11, вытесняется в цепь резистора 10, напряжение на последнем возрастает, что приводит к уменьшению тока в цепи обмотки 2 возбуждения и увеличению тока в цепи балластного резистора 3. При включенном состоянии транзистора 11 резистор 10 шунтируется цепью «транзистор 11 - резистор 12», имеющей существенно меньшее сопротивление, что приводит к увеличению тока в цепи обмотки 2 возбуждения и уменьшению тока в балластном резисторе 3. При этом системой автоматического регулирования обеспечивается такой коэффициент регулирования транзистора 11, при котором среднее значение тока в обмотке 2 возбуждения при текущем значении скорости движения будет обеспечивать заданное значение тока в якорной обмотке 1. При этом во время выключенного состояния транзистора 6 по цепи « диод 24 - конденсатор 19 накопителя энергии - контактор 22 - диод 16 - балластный резистор 3» происходит накопление энергии на конденсаторе 19. Во время включенного состояния транзистора 6 часть указанного контура, состоящая из диода 24, конденсатора 19 накопителя энергии и контактора 22, шунтируется транзистором 6, при этом накопления энергии на конденсаторе 19 не происходит,
так как при этом ток якорной обмотки 1 протекает не по цепи конденсатора 19 накопителя энергии, а по транзистору 6.
По мере уменьшения скорости движения коэффициент регулирования транзистора 6 остается постоянным, а коэффициент регулирования транзистора 11 увеличивается, при этом соответственно увеличивается и среднее значение тока в обмотке 2 возбуждения, а величина тока, протекающего при этом по балластному резистору уменьшается. Следует отметить, что увеличение тока, протекающего при увеличении скорости движения по балластному резистору 3, при наличии ограничения по максимальной величине напряжения на конденсаторе 19 накопителя энергии, способствует увеличению ЭДС, требуемой для обеспечения заданного тока в якорной обмотке 1, и тем самым, увеличению требуемого тока в обмотке 2 возбуждения и, следовательно, тормозного момента электродвигателя. Мощность, передаваемая в конденсатор 19 накопителя энергии при работе электропривода в этом режиме, равна произведению тока в якорной обмотке 1 на напряжение на конденсаторе 19 накопителя энергии и при достаточно большой величине емкости конденсатора 19 постоянна.
При снижении скорости движения до определенного значения транзистор 11 открывается полностью, и дальнейшее регулирование тока в якорной обмотке 1 производится изменением коэффициента регулирования транзистора 6 при постоянном значении степени ослабления потока возбуждения электродвигателя. Степень ослабления магнитного потока, обеспечиваемая при этом, максимальна и, в первом приближении (без учета влияния сопротивления проводов между элементами 2, 3, 11 и 12, а также без учета тока в цепи резистора 10 и падения напряжения на транзисторе 11), равна:
αmax=R3/(R3+R12+R2),
При включенном состоянии транзистора 6 ток якорной обмотки 1 повышается, замыкаясь при этом по контуру: «якорная обмотка 1 - транзистор 6 - диод 16 - балластный резистор 3, параллельно которому включены последовательно соединенные обмотка 2 возбуждения и транзистор 11 - якорная
обмотка 1». При выключенном состоянии транзистора 6 ток якорной обмотки 1 понижается, замыкаясь при этом по контуру: «якорная обмотка 1 - диод 24 - конденсатор 19 накопителя энергии - контактор 22 - диод 16 - параллельное соединение балластного резистора 3 и последовательно соединенных обмотки 2 возбуждения и резистора 10 - якорная обмотка 1». Уменьшение тока в обмотке 2 возбуждения при этом обеспечивается за счет повышения напряжения на резисторе 10, способствующего указанному уменьшению за счет повышения тока в балластном резисторе 3. Мощность, передаваемая при этом в конденсатор 19 накопителя энергии, как и в ранее рассмотренном режиме, пропорциональна току якорной обмотки 1, но, в отличие от него, обратно пропорциональна коэффициенту регулирования транзистора 6.
По мере уменьшения скорости движения коэффициент регулирования транзистора 6 увеличивается и при определенной скорости, ~(3-4) км/ч, транзистор 6 открывается полностью. При этом энергия перестает передаваться в конденсатор 19 накопителя энергии.
При дальнейшем уменьшении скорости движения токи в якорной обмотке 1 и обмотке 2 возбуждения уменьшаются по мере уменьшения скорости, что приводит существенному снижению тормозного момента электродвигателя, свойственному электроприводам, использующим в тормозном режиме самовозбуждения электродвигателя.
Если при движении в тормозном режиме напряжение на конденсаторе 19 накопителя энергии превышает допустимое значение, то по сигналу соответствующего датчика напряжения (на схеме не показан) подается отпирающий сигнал в цепь управления транзистора 18. Благодаря этому цепь «диод 24 - конденсатор 19 накопителя энергии - контактор 22» шунтируется цепью «диод 15 - тормозной резистор 17 - открытый транзистор 18», по которой протекает ток в моменты времени, соответствующие моментам времени, в которые происходило накопление энергии на конденсаторе 19 в вышерассмотренных режимах работы электропривода при допустимой величине напряжения на конденсаторе 19 накопителя энергии.
При отсутствии напряжения в контактной сети 6 предлагаемое устройство регулирования может обеспечить движение транспортного средства в тяговом режиме за счет использования предварительно накопленной электрической энергии в конденсаторе 19 накопителя энергии. При работе устройства в этом режиме контактор 9 выключен. При этом напряжение на конденсатор 7 фильтра подается по цепи: «конденсатор 19 накопителя энергии - диод 20 - конденсатор 7 фильтра - диод 23 - конденсатор 19 накопителя энергии». В остальном работа устройства в этом режиме аналогична описанной выше его работе в тяговом режиме. Работа устройства в тормозном режиме при отсутствии напряжения контактной сети 6 также аналогична описанной выше работе в тормозном режиме при наличии напряжения в контактной сети.
Следует отметить, что при его движении транспортного средства на участках с пониженным напряжением контактной сети 6 использование энергии, накопленной в конденсаторе 19, способствует повышению напряжения, подаваемого в цепь питания обмоток тягового электродвигателя н, тем самым, способствует повышению тягово-динамических показателей транспортного средства.