Комплектный тяговый электропривод постоянного тока

 

Изобретение относится к электрооборудованию транспортных средств и может быть использовано при реализации высокочастотных зарядных устройств и источников питания с гальванической развязкой выходного напряжения для тягового электропривода аккумуляторных электромобилей. Предложенный электропривод содержит силовой регулятор напряжения на полностью управляемых ключевых элементах и регулятор тока возбуждения тягового электродвигателя с независимой обмоткой возбуждения. Особенность устройства проявляется в том, что за счет введения двух высокочастотных транзисторов и диодов, а также зарядного реле создается возможность применения одних и тех же элементов электропривода для обеспечения как режима движения электромобиля, так и режима заряда тяговой аккумуляторной батареи с коэффициентом мощности, близким к единице. Таким образом, данный электропривод обладает расширенными функциональными возможностями. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке высокочастотных зарядных устройств и источников питания с гальванической развязкой выходного напряжения для тягового электропривода аккумуляторных электромобилей.

Известно устройство (патент РФ 2101830, кл. H 02 J 7/10, Н 02 М 7/12, 1998 г.), в котором для зарядки тяговой аккумуляторной батареи используется высокочастотный полумостовой транзисторный преобразователь с гальванической развязкой выходного напряжения.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности осуществлять питание двенадцативольтового электрооборудования (фары, стеклоочиститель и т. п. ) и подзарядку автомобильной (12 В) аккумуляторной батареи во время движения электромобиля, т.е. его вынуждены возить просто как "балласт". Кроме того, это устройство не обеспечивает потребление электрической энергии из сети с коэффициентом мощности, близким к единице.

Наиболее близким техническим решением является устройство (патент РФ 2127200, кл. B 60 L 15/08, H 02 J 7/10, 1999 г. (прототип)), в котором для зарядки тяговой аккумуляторной батареи электромобиля используется силовой преобразователь электропривода, причем с коэффициентом мощности, близким к единице.

Недостатком этого устройства является значительно завышенная установленная мощность ключевых элементов силового преобразователя. Это обусловлено тем, что в тяговом приводе при относительно небольшом напряжении (120В) требуется коммутировать относительно большие токи (250 А), в то же время при заряде аккумуляторной батареи при относительно малом токе (не более 16А) необходимо коммутировать сетевое напряжение (более 300В), т.е. ключевые элементы должны выбираться на максимальный ток и максимальное напряжение, что существенно удорожает силовой преобразователь.

Еще одним недостатком рассматриваемого устройства является отсутствие блока, осуществляющего питание двенадцативольтового электрооборудования электромобиля (фары, стеклоочиститель и т.п.) и подзарядку автомобильной (12В) аккумуляторной батареи.

Решение технической задачи направлено на расширение функциональных свойств.

Для решения поставленной технической задачи в известном комплектном тяговом электроприводе постоянного тока, содержащем тяговый электродвигатель, якорная обмотка которого через регулятор напряжения подключена к тяговой аккумуляторной батарее, а обмотка возбуждения через реверсор подключена к выходу регулятора тока возбуждения, выполненного в виде последовательно соединенных транзистора и диода, катод которого является плюсовой входной и выходной клеммой регулятора тока возбуждения, а эмиттер транзистора - его минусовой входной клеммой, подключенной, кроме того, к минусовой выходной клемме первичного выпрямителя с входным фильтром, подключенным к сетевому шнуру, при этом плюсовая выходная клемма этого выпрямителя подключена через дроссель к точке соединения коллектора транзистора и анода диода, являющейся минусовой выходной клеммой регулятора тока возбуждения, при этом между входными клеммами регулятора тока возбуждения подключены два последовательно соединенных накопительных конденсатора, к общей точке которых подключен первый вывод первичной обмотки высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу вторичного выпрямителя с выходным фильтром, второй вывод первичной обмотки высокочастотного трансформатора подключен к общей точке двух последовательно соединенных высокочастотных транзисторов, зашунтированных во встречном направлении возвратными диодами и подключенных через первый и второй нормально замкнутые контакты зарядного реле согласно с тяговой аккумуляторной батареей и параллельно входным клеммам регулятора тока возбуждения, при этом выход вторичного выпрямителя через третий и четвертый нормально замкнутые контакты зарядного реле подключен к автомобильной аккумуляторной батарее, а через первый и второй нормально разомкнутые контакты подключен к тяговой аккумуляторной батарее, причем обмотка зарядного реле подключена к входным зажимам первичного выпрямителя.

На чертеже схематично показано предлагаемое устройство.

Комплектный тяговый электропривод постоянного тока содержит тяговый электродвигатель 1, якорная обмотка которого через регулятор 2 напряжения подключена к тяговой аккумуляторной батарее 3, а обмотка возбуждения через реверсор 4 подключена к выходу регулятора 5 тока возбуждения, выполненного в виде последовательно соединенных транзистора 6 и диода 7, катод которого является плюсовой входной и выходной клеммой 8 регулятора 5 тока возбуждения, а эмиттер транзистора 6 - его минусовой входной клеммой 9, подключенной, кроме того, к минусовой выходной клемме 10 первичного выпрямителя 11 с входным фильтром, подключенным к сетевому шнуру 12, при этом плюсовая выходная клемма 13 этого выпрямителя подключена через дроссель 14 к точке соединения коллектора транзистора 6 и анода диода 7, являющейся минусовой выходной клеммой 15 регулятора 5 тока возбуждения, при этом между входными клеммами 8 и 9 регулятора 5 тока возбуждения подключены два последовательно соединенных накопительных конденсатора 16, 17, к общей точке которых подключен первый вывод первичной обмотки высокочастотного трансформатора 18, вторичная обмотка которого подключена ко входу вторичного выпрямителя 19 с выходным фильтром, причем второй вывод первичной обмотки высокочастотного трансформатора 18 подключен к общей точке двух последовательно соединенных высокочастотных транзисторов 20, 21, зашунтированных во встречном направлении возвратными диодами 22, 23 и подключенных через первый 24 и второй 25 нормально замкнутые контакты зарядного реле согласно с тяговой аккумуляторной батареей 3 и параллельно входным клеммам 8, 9 регулятора 5 тока возбуждения, при этом выход вторичного выпрямителя 19 через третий 26 и четвертый 27 нормально замкнутые контакты зарядного реле подключен к автомобильной аккумуляторной батарее 28, а через первый 29 и второй 30 нормально разомкнутые контакты подключен к тяговой аккумуляторной батарее 3, причем обмотка 31 зарядного реле подключена к входным зажимам первичного выпрямителя 11.

Комплектный тяговый электропривод постоянного тока работает следующим образом. Регулирование тока в якорной обмотке тягового электродвигателя 1 во время движения осуществляется за счет включения-выключения управляемых ключевых элементов 32, 33 регулятора напряжения 2. На практике роль ключевых элементов 32,33 выполняют, или тиристоры с соответствующей системой коммутации, или силовые транзисторы. Ключевой элемент 32 служит для подключения якорной обмотки тягового электродвигателя 1 к тяговой аккумуляторной батарее 3, обеспечивая тем самым потребление энергии от тяговой аккумуляторной батареи 3 (режим движения), ключевой элемент 33 служит для периодического замыкания якорной обмотки тягового электродвигателя 1 в режиме импульсного торможения. Для защиты регулятора напряжения 2 от импульсов перенапряжений к его выходным клеммам подключены накопительные конденсаторы 16 и 17, параллельно которым подключен питающий вход регулятора 5 тока возбуждения тягового электродвигателя 1. В моменты включения-выключения ключевых элементов (32 и 33) на входных клеммах 8, 9 регулятора напряжения 2 формируются импульсы перенапряжений, обусловленные наличием паразитной (внутренней) индуктивности тяговой аккумуляторной батареи 3 и подводящих проводов. Для сглаживания (уменьшения амплитуды) этих импульсов и служат накопительные конденсаторы 16, 17. Энергия коммутационных потерь накапливается в конденсаторах 16, 17 и поступает через регулятор напряжения 5 в обмотку возбуждения тягового электродвигателя 1, что улучшает энергетические показатели электропривода. Так как во время движения сетевой шнур 12 не подключен, то обмотка 31 зарядного реле обесточена и полумостовой преобразователь 34, образованный высокочастотными транзисторами 20, 21, диодами 22 и 23, накопительными конденсаторами 16,17 и высокочастотным трансформатором 18, оказывается подключенным к тяговой аккумуляторной батарее 3. Поочередное высокочастотное включение-выключение транзисторов 20, 21 обеспечивает подачу в первичную обмотку высокочастотного трансформатора 18 переменного напряжения, которое после трансформации, выпрямления и фильтрации выходным фильтром вторичного выпрямителя 19 обеспечивает питание двенадцативольтового электрооборудования электромобиля (фары, стеклоочиститель и т.п.) и подзарядку автомобильной аккумуляторной батареи 28.

Во время стоянки, когда необходимо произвести заряд тяговой аккумуляторной батареи 3, включают сетевой шнур в розетку, в результате чего на вход первичного выпрямителя 11 поступает сетевое напряжение (220 В), запитывая обмотку зарядного реле, размыкая тем самым нормально замкнутые контакты 24,. ..,27 и замыкая нормально разомкнутые контакты 29 и 30. При этом выпрямленное сетевое напряжение через дроссель 14 и регулятор 5 будет поступать на вход полумостового преобразователя 34, который через вторичный выпрямитель 19 и замкнувшиеся контакты 29, 30 будет осуществлять заряд тяговой аккумуляторной батареи 3.

При соответствующем управлении транзистор 6, диод 7 и дроссель 14 образуют так называемый активный фильтр, обеспечивающий потребление электрической энергии с коэффициентом мощности, близким к единице.

Таким образом, расширение функциональных свойств за счет вновь введенных высокочастотных транзисторов 20, 21, диодов 22, 23 и зарядного реле позволило использовать одни и те же элементы для управления тяговым электродвигателем, питания двенадцативольтового электрооборудования и подзарядки автомобильной аккумуляторной батареи во время движения, а также для обеспечения заряда тяговой аккумуляторной батареи с коэффициентом мощности, близким к единице, во время стоянки.

Применение заявляемого устройства в составе электромобилей Волжского автозавода показало его высокую надежность и простоту в эксплуатации, а также в сравнении с базовым объектом позволило существенно улучшить стоимостные и массогабаритные показатели комплектного электропривода постоянного тока, а также упростить его компоновочное решение.

Применение заявляемого устройства не ограничено электромобилями с тяговыми аккумуляторными батареями и может быть использовано в автомобилях с гибридными энергоустановками и в различных электротехнических устройствах.

Формула изобретения

Комплектный тяговый электропривод постоянного тока, содержащий тяговый электродвигатель, якорная обмотка которого через регулятор напряжения подключена к тяговой аккумуляторной батарее, а обмотка возбуждения через реверсор подключена к выходу регулятора тока возбуждения, выполненного в виде последовательно соединенных транзистора и диода, катод которого является плюсовой входной и выходной клеммой регулятора тока возбуждения, а эмиттер транзистора - его минусовой входной клеммой, подключенной, кроме того, к минусовой выходной клемме первичного выпрямителя с входным фильтром, подключенным к сетевому шнуру, при этом плюсовая выходная клемма этого выпрямителя подключена через дроссель к точке соединения коллектора транзистора и анода диода, являющейся минусовой выходной клеммой регулятора тока возбуждения, при этом между входными клеммами регулятора тока возбуждения подключены два последовательно соединенных накопительных конденсатора, к общей точке которых подключен первый вывод первичной обмотки высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу вторичного выпрямителя с выходным фильтром, отличающийся тем, что второй вывод первичной обмотки высокочастотного трансформатора подключен к общей точке двух последовательно соединенных высокочастотных транзисторов, зашунтированных во встречном направлении возвратными диодами и подключенных через первый и второй нормально замкнутые контакты зарядного реле согласно с тяговой аккумуляторной батареей и параллельно входным клеммам регулятора тока возбуждения, при этом выход вторичного выпрямителя через третий и четвертый нормально замкнутые контакты зарядного реле подключен к автомобильной аккумуляторной батарее, а через первый и второй нормально разомкнутые контакты подключен к тяговой аккумуляторной батарее, причем обмотка зарядного реле подключена к входным зажимам первичного выпрямителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1