ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
TRACTION MOTOR FOR TRANSPORT FACILITY

Изобретение относится к транспортным средствам, в частности к их электрооборудованию и касается тягового привода с генераторами постоянного или переменного тока и тяговыми электродвигателями постоянного тока на маневровых тепловозах, в том числе с многодизельными силовыми установками.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, которые посредством преобразователей постоянного напряжения через входной LC-фильтр подключены к источнику питания, сглаживающие реакторы, включенные последовательно с якорными обмотками тяговых электродвигателей, шунтирующие резисторы, включенные параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей, балластные резисторы с контакторами шунтирования, тормозные резисторы, соединенные последовательно с силовыми полупроводниковыми ключами, регуляторы токов возбуждения, диодные мосты, в диагонали постоянного тока последовательного возбуждения которых включены обмотки возбуждения тяговых электродвигателей, причем параллельно обмоткам возбуждения включены регуляторы токов возбуждения, при этом каждый преобразователь постоянного напряжения состоит из четырех силовых полупроводниковых ключей с обратной проводимостью, соединенных между собой в виде моста, диагональ постоянного тока последовательного возбуждения которого с включенным в нее тормозным резистором и силовым полупроводниковым ключом подключена к входному LC-фильтру, в диагональ переменного тока преобразователя включены соединенные последовательно якорные обмотки тяговых электродвигателей, сглаживающий реактор, балластный резистор с контактором шунтирования и диагональ переменного тока диодного моста (RU, Патент на изобретение №2215660 C1, кл. B60L 7/12, опубл. 2003 г.).
Недостатками известного тягового электропривода являются невозможность его работы в режиме электрического тормоза, большие потери энергии для обеспечения плавного регулирования скорости и плавного трогания, повышенная сложность тягового электропривода и связанная с этим недостаточная надежность работы тягового электропривода.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, подключенные к выходу преобразователя напряжения, параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей включены регуляторы токов возбуждения, преобразователь напряжения состоит из двух регулируемых тиристорных выпрямителей, входы которых подключены к источнику трехфазного переменного напряжения, а их выходы соединены последовательно и являются выходом преобразователя напряжения, регулятор токов возбуждения выполнен в виде блока резисторов, каждый из которых подключен к обмотке возбуждения соответствующего тягового электродвигателя через контактор, а через второй контактор параллельно блоку резисторов включен шунтирующий элемент, при этом цепи управления контакторов и входы управления тиристорных выпрямителей подключены к соответствующим выходам контроллера (RU, патент на изобретение №2309057 C2, кл. B60L 9/08, опубл. 2007 г.).
Недостатками известного тягового электропривода являются недостаточная надежность работы тягового электропривода из-за возможной потери синхронизации, большие потери при обеспечении работы тягового электропривода в расширенном диапазоне скоростей из-за значительного уровня реактивной мощности.
Известен тяговый электропривод транспортного средства, принятый за прототип, содержащий тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, подключенные к выходу источника постоянного тока, причем к якорной обмотке первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключены последовательно соединенные обмотка возбуждения первого тягового электродвигателя постоянного тока, первый датчик тока, к якорной обмотке второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключены последовательно соединенные обмотка возбуждения второго тягового электродвигателя постоянного тока, второй датчик тока, свободные выходы якорных обмоток первого и второго тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения подключены к плюсовой клемме источника постоянного тока, свободные выходы первого и второго датчиков тока соединены с коллекторами соответственно первого и второго биполярных транзисторов с изолированными затворами, эмиттеры биполярных транзисторов с изолированным затвором соединены между собой и подключены к минусовому выводу источника постоянного тока, к плюсовому выводу источника питания и к коллекторам каждого биполярного транзистора с изолированным затвором подключены два датчика напряжения, выходы которых соединены, соответственно, с третьим и четвертым входами блока управления, параллельно-последовательно соединенным якорным обмоткам и обмоткам возбуждения каждого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключены диоды, причем катоды диодов подключены к плюсовой клемме источника постоянного тока, а аноды подключены к коллекторам первого и второго биполярных транзисторов с изолированным затвором (RU, патент на изобретение №2440900 C1, кл. B60L 9/00, опубл. 2012 г.).
Недостатками известного тягового электропривода являются отсутствие возможности работы в режиме электрического тормоза.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей тягового электропривода транспортного средства тока путем обеспечения его работы в широком диапазоне скоростей, в том числе в режиме электрического тормоза, обеспечение плавного регулирования скорости и плавного трогания, упрощение тягового электропривода и повышение его надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что в тяговом электроприводе транспортного средства, содержащем тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, подключенные к источнику постоянного тока, причем к якорной обмотке первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключены последовательно соединенные обмотка возбуждения первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, первый датчик тока, к якорной обмотке второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключены последовательно соединенные обмотка возбуждения второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, второй датчик тока, свободный вывод якорной обмотки первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключен к плюсовой клемме источника постоянного тока, эмиттеры первого и второго биполярных транзисторов с изолированным затвором соединены между собой и подключены к минусовой клемме источника постоянного тока, параллельно двум цепям, образованным последовательно соединенными якорной обмоткой и обмоткой возбуждения первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения и первым датчиком тока, а также последовательно соединенными вторым датчиком тока, обмоткой возбуждения и якорной обмоткой второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, подключены два датчика напряжения, между плюсовой клеммой источника постоянного тока и коллекторами первого и второго биполярных транзисторов с изолированным затвором в обратном направлении включены диоды, в цепь последовательно соединенных датчиков тока, обмоток возбуждения и якорных обмоток каждого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения соответственно установлены два поездных контактора, свободный вывод обмотки возбуждения второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения подключен к плюсовой клемме источника постоянного тока, общая точка соединения обмотки возбуждения и якорной обмотки первого тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения соединена с общей точкой соединения обмотки возбуждения и якорной обмотки второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения через последовательно соединенные первый тормозной контактор и тормозной резистор, общая точка соединения первого датчика тока и первого поездного контактора соединена с общей точкой соединения свободного вывода якорной обмотки второго тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения со вторым поездным контактором через второй тормозной контактор, выходы датчиков тока и датчиков напряжения соединены с соответствующими входами блока управления, соответствующие выходы которого соединены с входами поездных контакторов, первого и второго тормозных контакторов и соответствующими входами первого и второго биполярных транзисторов с изолированным затвором.
На чертеже изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого тягового электропривода транспортного средства.
Тяговый электропривод транспортного средства содержит тяговые электродвигатели 1 и 2 постоянного тока последовательного возбуждения, подключенные к выходу источника постоянного тока 3, причем к якорной обмотке 4 первого тягового электродвигателя 1 постоянного тока последовательного возбуждения подключены последовательно соединенные обмотка возбуждения 5 первого тягового электродвигателя 1 постоянного тока последовательного возбуждения, первый датчик 6 тока, к якорной обмотке 7 второго тягового электродвигателя 2 постоянного тока последовательного возбуждения подключены последовательно соединенные обмотка 8 возбуждения второго тягового электродвигателя 2 постоянного тока последовательного возбуждения, второй датчик 9 тока, свободный вывод якорной обмотки 4 первого тягового электродвигателя 1 постоянного тока последовательного возбуждения подключен к плюсовой клемме источника постоянного тока 3, эмиттеры первого 10 и второго 11 биполярных транзисторов с изолированным затвором соединены между собой и подключены к минусовой клемме источника постоянного тока 3. Параллельно двум цепям, образованным последовательно соединенными якорной обмоткой 4 и обмоткой 5 возбуждения первого тягового электродвигателя 1 постоянного тока последовательного возбуждения и первым датчиком 6 тока, а также последовательно соединенными вторым датчиком 9 тока, обмоткой 8 возбуждения и якорной обмоткой 7 второго тягового электродвигателя 2 постоянного тока последовательного возбуждения, подключены два датчика 12 и 13 напряжения, между плюсовой клеммой источника постоянного тока 3 и соответственно коллекторами первого 10 и второго 11 биполярных транзисторов с изолированным затвором в обратном направлении включены диоды 14 и 15, в цепь последовательно соединенных датчиков 6 и 9 тока, обмоток 5 и 8 возбуждения и якорных обмоток 4 и 7 каждого тягового электродвигателя 1 и 2 постоянного тока последовательного возбуждения установлены два поездных контактора 16 и 17. Свободный вывод обмотки 8 возбуждения второго тягового электродвигателя 2 постоянного тока последовательного возбуждения через второй датчик 9 тока подключен к плюсовой клемме источника постоянного тока 3, общая точка соединения обмотки 5 возбуждения и якорной обмотки 4 первого тягового электродвигателя 1 постоянного тока последовательного возбуждения соединена с общей точкой соединения обмотки 8 возбуждения и якорной обмотки 7 второго тягового электродвигателя 2 постоянного тока последовательного возбуждения через последовательно соединенные первый тормозной контактор 18 и тормозной резистор 19. Общая точка соединения первого датчика 6 тока и первого поездного контактора 16 соединена с общей точкой соединения свободного вывода якорной обмотки 7 второго тягового электродвигателя 2 постоянного тока последовательного возбуждения со вторым поездным контактором 17 через второй тормозной контактор 20. Выходы датчиков тока 6 и 9, датчиков 12 и 13 напряжения соединены с соответствующими входами блока 21 управления, соответствующие выходы которого соединены с входами первого 16 и второго 17 поездных контакторов, первого 18 и второго 20 тормозных контакторов и соответствующими входами первого 10 и второго 11 биполярных транзисторов с изолированным затвором. Число тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения на чертеже показано равным двум, в общем случае их число может быть любым четным по числу обмоторенных осей, причем тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения должны быть включены в две параллельные цепи. Источник постоянного тока 3 может быть выполнен в виде одного и более последовательно соединенных трехфазных неуправляемых выпрямителей, входы переменного тока которых соединены, например, с выходами трехфазных синхронных тяговых генераторов, приводимых во вращение отдельными дизельными двигателями. Также возможно исполнение источника постоянного тока 3 в виде одного и более последовательно соединенных тяговых генераторов постоянного тока, приводимых во вращение отдельными дизельными двигателями.
Тяговый электропривод транспортного средства работает следующим образом.
В режиме тяги с выходов блока 21 управления подаются команды на включение поездных котакторов 16 и 17, а также подаются импульсы управления на затворы первого биполярного транзистора 10 с изолированным затвором и второго биполярного транзистора 11 с изолированным затвором, коэффициент заполнения которых соответствует заданному значению напряжения на тяговых электродвигателях 1 и 2 постоянного тока последовательного возбуждения. С помощью блока 21 управления контролируют напряжение и токи якорей тяговых электродвигателей 1, 2 постоянного тока последовательного возбуждения путем измерения напряжения и тока первым 12 и вторым 13 датчиками напряжения, первым 6 и вторым 9 датчиками тока и воздействием на затворы первого биполярного транзистора 10 с изолированным затвором и второго биполярного транзистора 11 с изолированным затвором обеспечивают плавное изменение напряжения на тяговых электродвигателях 1 и 2 постоянного тока последовательного возбуждения при трогании и во всем диапазоне скоростей движения. Например, напряжение, приложенное к якорной обмотке 4 и обмотке возбуждения 5 первого тягового электродвигателя 1 постоянного тока последовательного возбуждения, определяется выражением
дв1
1
1
U=U·λ,
1
где U - напряжение источника постоянного тока 3;
1
λ - коэффициент заполнения управляющих импульсов на затворе первого биполярного транзистора 10 с изолированным затвором.
1
1
Путем изменения коэффициента заполнения λ от 0 до 1 напряжение на первом тяговом электродвигателе 1 постоянного тока последовательного возбуждения изменяется от 0 до U, что обеспечивает плавное регулирование тягового электропривода транспортного средства во всем диапазоне скоростей, аналогично для второго тягового электродвигателя 2 постоянного тока последовательного возбуждения.
При исполнении источника постоянного тока 3 в виде последовательно соединенных трехфазных неуправляемых выпрямителей, при питании каждого из них от трехфазного синхронного тягового генератора, или в виде последовательно соединенных тяговых генераторов постоянного тока, что возможно, например, при наличии двух и более дизель-генераторных установок, диапазон рабочих скоростей движения транспортного средства (многодизельного локомотива) соответственно увеличивается.
В режиме электрического торможения с блока 21 управления подаются команды на отключение поездных контакторов 16 и 17 и на включение тормозных контакторов 18 и 20, импульсы управления биполярными транзисторами 10 и 11 с изолированными затворами снимаются. При этом образуются две цепи для протекания тормозного тока: первая цепь: якорная обмотка 4 первого тягового электродвигателя 1 постоянного тока последовательного возбуждения, второй датчик 9 тока, обмотка возбуждения 8 второго тягового электродвигателя 2 постоянного тока последовательного возбуждения, тормозной резистор 19, замкнутые силовые контакты первого тормозного контактора 18; вторая цепь: обмотка 5 возбуждения первого тягового электродвигателя 1 постоянного тока последовательного возбуждения, первый 6 датчик тока, замкнутые силовые контакты второго тормозного контактора 20, якорная обмотка 7 второго тягового электродвигателя 2 постоянного тока последовательного возбуждения, тормозной резистор 19, замкнутые силовые контакты первого тормозного контактора 18. Перекрестная силовая схема электрического тормоза, образующаяся при этом, обеспечивает необходимую механическую устойчивость.
Предлагаемый тяговый электропривод транспортного средства реализует поставленную задачу - расширяет функциональные возможности путем обеспечения работы тягового электропривода транспортного средства в широком диапазоне скоростей, в том числе в режиме электрического тормоза, и обеспечения плавного регулирования скорости движения и плавного трогания с одновременным упрощением и повышением надежности.
Тяговый электропривод транспортного средства опробован в условиях стенда и показал положительные результаты, предлагается к применению на маневровых тепловозах типа ТЭМ2, ТЭМ3, ТЭМ18, ЧМЭ3, в том числе и в многодизельном исполнении.