Тяговый электропривод постоянного тока с тиристорным управлением

 

Изобретение относится к транспортному оборудованию. Тяговый электропривод содержит источник питания, выключатель, два тяговых электродвигателя постоянного тока с якорными обмотками и обмотками возбуждения, датчики тока возбуждения и тока якоря, а также прерыватель тока возбуждения. В состав последнего входят главный тиристор, тиристор гашения, коммутирующий конденсатор, контактор ослабления возбуждения и резисторы. Дополнительно в устройство введены два согласующих блока, масштабирующий усилитель, компаратор, блок управления, блок защиты от юза и боксования, а также контактор шунтирования с соответствующими связями. Привод характеризуется повышенной эксплуатационной надежностью и, в частности, работает бесперебойно в нестационарном режиме за счет того, что величина напряжения на коммутирующем конденсаторе при любых нестационарных режимах является достаточной для запирания главного тиристора. По сравнению с известными устройство имеет также меньшие габариты, поскольку в нем используется коммутирующий конденсатор меньшей емкости. 1 ил.

Изобретение относится к транспорту, а именно к тяговым электроприводам постоянного тока с тиристорным управлением.

Уровень техники.

Известно, что при эксплуатации тяговых электродвигателей постоянного тока при питании от контактной сети возможно возникновение нестационарных режимов работы, вызванных колебаниями напряжения в контактной сети, восстановлением контакта токоприемника с контактным проводом после отрывов, восстановлением сцепления после боксования колесных пар электропоезда. При этом в нестационарном режиме при ослабленном возбуждении электродвигателей ток в якорной обмотке тягового электродвигателя растет значительно быстрее, чем ток в обмотке возбуждения, что может привести к критическому уменьшению коэффициента ослабления возбуждения, выходу из строя тяговых электродвигателей постоянного тока и возникновению аварийной ситуации. Очевидно, что проблема обеспечения надежности работы тяговых электродвигателей постоянного тока в нестационарных режимах работы является одной из основных проблем, существующих на железнодорожном транспорте.

Известно устройство по а.с. СССР 402484, приоритет от 2.03.72, МПК B 60 L 15/08, содержащее главный тиристор, включенный параллельно обмотке возбуждения, тиристор гашения, разделительный диод, коммутирующий контур и источник постоянного напряжения. В описанном выше устройстве для плавного регулирования ослабления возбуждения тяговых двигателей введен дополнительный диод, установленный между обмоткой возбуждения и анодом главного тиристора и RC-цепью, включенной параллельно разделительному диоду и тиристору гашения, анод которого соединен с положительным полюсом источника постоянного напряжения. Описанное выше устройство не обеспечивает надежной работы в нестационарных режимах, так как при резком изменении напряжения в контактной сети невозможно своевременно выключить главный тиристор из-за отсутствия информации о величинах токов в якорной обмотке и обмотке возбуждения. Кроме того, описанное выше устройство требует дополнительного источника питания, что приводит к значительным затратам и усложняет схему устройства.

В известном устройстве по а.с. СССР 1632825, приоритет от 1.03.89, МПК В 60 L 15/08, в моторном режиме для реализации режима ослабленного возбуждения включаются контакты первого и второго контакторов и третий тиристор. Глубина регулирования возбуждения определяется третьим резистором. При резком изменении напряжения ток в шунтирующей цепи обмотки возбуждения начинает интенсивно нарастать. После достижения током величины уставки датчика тока в шунтирующей цепи подается сигнал управления на второй тиристор. В результате конденсатор, предварительно заряженный через первый резистор и коммутирующий реактор, выключает третий тиристор. Второй тиристор выключается после снижения тока через него до величины, меньшей тока удержания.

Описанное выше устройство не обеспечивает надежной работы в нестационарных режимах, так как информация о выключении третьего тиристора поступает только от датчика тока в шунтирующей цепи и не учитывается информация от датчика тока возбуждения, что может привести к критическому уменьшению коэффициента ослабления возбуждения, ненадежной коммутации главного тиристора и, тем самым, к выходу из строя двигателей.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является тяговый электропривод постоянного тока с тиристорным управлением, описанный в журнале Локомотив 3, 2001 год, стр.29-30. Для упрощения описания ближайшего аналога рассмотрим работу привода для одной из пар двигателей при последовательно-параллельном соединении двигателей, когда отключен мостовой контактор М и включены переходные контакторы П1 и П2. Тяговый электропривод содержит источник питания КС, выключатель БВ, последовательно соединенные якорные обмотки М3, М4 первого и второго тяговых электродвигателей постоянного тока, последовательно соединенные обмотки возбуждения ОВ3, ОВ4 первого и второго тяговых электродвигателей, датчик тока возбуждения ДТВ и датчик тока якоря ДТЯ, а также прерыватель тока возбуждения, содержащий главный тиристор VS3 и тиристор гашения VS4, аноды которых объединены и подключены к одному из выводов первого резистора Р_доп2, являющегося первым входом прерывателя тока возбуждения, другой конец первого резистора R_доп2 соединен с одним из выводов коммутирующего конденсатора С_к2, катодом главного тиристора VS3 и с одним из выводов второго резистора R_oп2-2, другой вывод которого соединен с выводом третьего резистора R14 и с одним из выводов контактора ослабления возбуждения 12, другой вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора R14, являющимся первым выходом прерывателя тока возбуждения, другой вывод коммутирующего конденсатора C_k2 соединен с катодом тиристора гашения VS4 и одним из выводов четвертого резистора R_зар2, другой вывод которого, являющийся вторым выходом прерывателя тока возбуждения, подключен к одному из выводов датчика тока якоря ДТЯ. При замыкании контактора Ш2 происходит заряд коммутирующего конденсатора C_k2 через резисторы Р_доп2 и R_зар2. При этом создается дополнительная ступень ослабления возбуждения тяговых двигателей. Далее подают импульс управления на главный тиристор VS3, он открывается и обеспечивается вторая ступень ослабления возбуждения. При возникновении бросков тока в цепи срабатывает датчик тока якоря ДТЯ. На тиристор гашения VS4 подают импульсы управления. Главный тиристор VS3 запирается, после чего коммутирующий конденсатор С_к2 подзаряжается током через VS4 и резисторы ослабления возбуждения. После перезаряда коммутирующего конденсатора С_к2 цепь ослабления возбуждения закрывается и вводится дополнительное ослабление возбуждения электродвигателей (близкое к полному). После получения сигнала с датчика тока якоря ДТЯ о прекращении колебания тока в контактной сети цепь ослабления возбуждения открывается вновь. В описанном выше устройстве коммутирующий конденсатор С_к2 заряжается в момент замыкания контакта Ш2. Это приводит к тому, что если нестационарный режим возникнет в промежутке времени заряда коммутирующего конденсатора С_к2, то конденсатор С_к2 окажется незаряженным и главный тиристор VS3 может оказаться невыключенным, что при резком увеличении тока якоря может привести к выходу из строя двигателей. Кроме того, информация о необходимости выключения главного тиристора VS3 поступает от датчика тока якоря ДТЯ и не учитывается информация от датчика тока возбуждения ДТВ, что может привести к критическому уменьшению коэффициента ослабления возбуждения, ненадежной коммутации главного тиристора VS3 и, тем самым, к выходу из строя двигателей.

Сущность изобретения.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности устройства при нестационарных режимах работы. Поставленная задача решается тем, что тяговый электропривод постоянного тока с тиристорным управлением, содержащий источник питания, выключатель, последовательно соединенные якорные обмотки первого и второго тяговых электродвигателей постоянного тока, последовательно соединенные обмотки возбуждения первого и второго тяговых электродвигателей постоянного тока, датчики тока возбуждения и тока якоря, а также прерыватель тока возбуждения, содержащий главный тиристор и тиристор гашения, аноды которых объединены и подключены к одному из выводов первого резистора, являющегося первым входом прерывателя тока возбуждения, другой вывод первого резистора соединен с одним из выводов коммутирующего конденсатора, катодом главного тиристора и с одним из выводов второго резистора, другой вывод которого соединен с выводом третьего резистора и с одним из выводов контактора ослабления возбуждения, другой вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, являющегося первым выходом прерывателя тока возбуждения, другой вывод коммутирующего конденсатора соединен с катодом тиристора гашения и одним из выводов четвертого резистора, другой вывод которого, являющийся вторым выходом прерывателя тока возбуждения, подключен к первому выводу датчика тока якоря, дополнительно содержит первый и второй согласующие блоки, масштабирующий усилитель, компаратор, блок управления, блок защиты от юза и боксования, а также контактор шунтирования, один из выводов которого соединен с первым выходом прерывателя тока возбуждения, контакт управления контактора шунтирования соединен с первым входом блока управления, а второй вывод контактора шунтирования соединен с первыми выводами датчика тока якоря и датчика тока возбуждения, второй вывод которого соединен с одним из выводов обмотки возбуждения второго тягового электродвигателя, первый вывод обмотки возбуждения первого тягового электродвигателя соединен с одним из выводов обмотки якоря второго тягового электродвигателя, с первым входом прерывателя тока возбуждения и с первым входом блока защиты от юза и боксования, второй вход которого соединен с последовательно соединенными якорными обмотками первого и второго тяговых электродвигателей, а третий вход соединен с одним из выводов выключателя и одним из выводов якорной обмотки первого тягового электродвигателя, другой вывод выключателя соединен с источником питания, выход блока защиты от юза и боксования соединен со вторым входом блока управления, третий вход которого соединен с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом датчика тока якоря, а второй вход соединен с выходом масштабирующего усилителя, первый вход которого соединен с выходом датчика тока возбуждения, а второй вход соединен с контактом управления контактора ослабления возбуждения, являющимся третьим выходом прерывателя тока возбуждения, причем первый выход блока управления через первый согласующий блок соединен с управляющим электродом и катодом главного тиристора, являющимися вторым и третьим входами прерывателя тока возбуждения, а второй выход блока управления соединен через второй согласующий блок с управляющим электродом и катодом тиристора гашения, являющимися четвертым и пятым входами прерывателя тока возбуждения, причем другой вывод датчика тока якоря соединен с землей.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена функциональная блок-схема тягового электропривода постоянного тока с тиристорным управлением.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

В соответствии с чертежом и согласно формуле изобретения тяговый электропривод постоянного тока с тиристорным управлением содержит источник питания 1, соединенный с одним из выводов выключателя 2, другой вывод которого через последовательно соединенные якорные обмотки 3, 4 обмотки возбуждения 5, 6 первого и второго тяговых электродвигателей постоянного тока подключен к одному из выводов датчика тока возбуждения 7, другой вывод которого соединен с выводом датчика тока якоря 8, другой вывод которого соединен с землей. Прерыватель тока возбуждения 9 содержит главный тиристор 10, тиристор гашения 11, аноды которых объединены и подключены к одному из выводов первого резистора 12, являющегося первым входом прерывателя тока возбуждения 9, подключенным к объединенным выводам якорной обмотки 4 второго электродвигателя и обмотки возбуждения 5 первого электродвигателя. Другой вывод первого резистора 12 соединен с одним из выводов коммутирующего конденсатора 13, катодом главного тиристора 10 и с одним из выводов второго резистора 14, другой вывод которого соединен с выводом третьего резистора 15 и с одним из выводов контактора ослабления возбуждения 16, другой вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора 15, являющимся первым выходом прерывателя тока возбуждения. Другой вывод коммутирующего конденсатора 13 соединен с катодом тиристора гашения 11 и одним из выводов четвертого резистора 17, другой вывод которого, являющийся вторым выходом прерывателя тока возбуждения 9, подключен к выводам датчиков 7 и 8 тока возбуждения и тока якоря и к одному из выводов контактора шунтирования 18, другой вывод которого соединен с первым выходом прерывателя тока возбуждения 9. Контакт управления контактора шунтирования 18 соединен с первым входом блока управления 19, второй вход которого соединен с выходом блока защиты от юза и боксования 20, первый вход которого соединен с одним из выводов обмотки якоря 3 первого тягового электродвигателя, второй и третий входы блока 20 защиты от юза и боксования соединены соответственно с последовательно соединенными якорными обмотками 3, 4 первого и второго тяговых электродвигателей и со вторым выводом якорной обмотки 4 второго тягового электродвигателя. Третий вход блока управления 19 соединен с выходом компаратора 21, первый вход которого соединен с выходом датчика тока якоря 8, а второй вход соединен с выходом масштабирующего усилителя 22, первый вход которого соединен с выходом датчика тока возбуждения 7, а второй вход соединен с контактом управления контактора ослабления возбуждения 16, являющимся третьим выходом прерывателя тока возбуждения 9. Первый выход блока управления 19 через первый согласующий блок 23 соединен с управляющим электродом и катодом главного тиристора 10, являющимися вторым и третьим входами прерывателя тока возбуждения 9, а второй выход блока управления 19 соединен через второй согласующий блок 24 с управляющим электродом и катодом тиристора гашения 11, являющимися четвертым и пятым входами прерывателя тока возбуждения 9.

Блок управления 19 может быть выполнен на последовательностных и логических схемах, например, К511, К561. Блок защиты от юза и боксования 20 - на резисторах и реле, компаратор 21 - на микросхемах К1401СА1, масштабирующий усилитель 22 - на аналоговом операционном усилителе К1401УД2А, согласующие блоки 23 и 24 - на трансформаторных схемах.

Электропривод в режиме тяги работает следующим образом. При замкнутом контакте выключателя 2 главный тиристор 10 и тиристор гашения 11 выключены и коммутирующий конденсатор 13 заряжен до напряжения на обмотках 5, 6 возбуждения по цепи из последовательно соединенных первого резистора 12 и четвертого резистора 17. Двигатели при этом работают в режиме полного возбуждения. При замыкании контактора шунтирования 18 подключается цепь ослабленного возбуждения электродвигателя, при этом по сигналу с контакта управления контактора шунтирования 18 в блоке управления 19 формируются управляющие сигналы, которые через согласующий блок 23 поступают на главный тиристор 10 и открывают его. При этом двигатели переходят в режим ослабленного возбуждения, так как при включении главного тиристора 10 происходит шунтирование обмоток возбуждения 5, 6 первого и второго тяговых электродвигателей постоянного тока вторым и третьим резисторами 14 и 15. При этом коэффициент ослабления возбуждения β₁ определяется как отношение величины тока Iв в обмотке возбуждения тягового электродвигателя к величине тока Iя в обмотке якоря этого электродвигателя (β₁ = I_в/I_я). При резком изменении напряжения в контактной цепи происходит увеличение тока в обмотке якоря, который растет значительно быстрее, чем ток в обмотке возбуждения. Это может привести к недопустимому уменьшению коэффициента ослабления. Для ограничения ослабления возбуждения тяговых электродвигателей в этой ситуации в устройстве задается пороговая величина коэффициента ослабления возбуждения, которая определяется как β₁-Δβ. При уменьшении коэффициента ослабления возбуждения меньше величины β₁-Δβ на выходе компаратора 21 формируется сигнал управления, который является результатом сравнения напряжения от датчика тока якоря 8 и напряжения на выходе масштабирующего усилителя 22. Напряжение на выходе масштабирующего усилителя 22 определяется выражением U вых. усил. = Uвозб. дат7•Ку, где Ky = 1/β₁-Δβ. Таким образом, при уменьшении коэффициента ослабления возбуждения на Δβ происходит срабатывание компаратора 21. По сигналу с выхода компаратора 21 блок управления 19 формирует сигнал через согласующий блок 24 на включение тиристора гашения 11, который включается и конденсатор 13 подключается к главному тиристору 10 напряжением обратной полярности. Главный тиристор 10 выключается, и тяговые электродвигатели переходят в режим практически полного возбуждения. Величина сопротивления первого резистора 12 значительно превышает сопротивление обмоток возбуждения 5, 6. После перезаряда коммутирующего конденсатора 13 тиристор гашения 11 закрывается. Величина сопротивления четвертого резистора 17 выбрана такой, чтобы после перезаряда коммутирующего конденсатора 13 ток через четвертый резистор 17 был меньше тока удержания тиристора гашения 11. Конденсатор 13 заряжается опять по цепи, состоящей из последовательно соединенных первого резистора 12 и четвертого резистора 17 до напряжения на обмотках возбуждения 5, 6. После окончания переходного процесса и перезаряда коммутирующего конденсатора 13 блок управления 19 формирует импульсы на отпирание главного тиристора 10. При замыкании контактора ослабления возбуждения 16 коэффициент ослабления возбуждения тяговых электродвигателей будет определяться величиной β₂. По сигналу с контакта управления контактора ослабления возбуждения 16 коэффициент усиления масштабирующего усилителя 22 устанавливается равным Ky = 1/β₂-Δβ. При возникновении юза или боксования в блоке защиты 20 вырабатывается сигнал, по которому блок управления 19 формирует сигнал на отпирание тиристора гашения 11 и переводит тяговые электродвигатели в режим полного возбуждения до окончания юза или боксования. После снятия сигнала с блока защиты от юза и боксования 20 блок управления 19 формирует сигнал на отпирание главного тиристора 10 и переводит тяговые электродвигатели в режим ослабленного возбуждения.

При отрыве токоприемника от контактного провода индуктивностью обмоток возбуждения 5, 6 возникает ЭДС самоиндукции, которая прикладывается обратной полярностью к главному тиристору 10, и тиристор 10 закрывается. При восстановлении контакта токоприемника с контактным проводом тяговые электродвигатели будут работать практически при полном возбуждении. После окончания переходного процесса и перезаряда коммутирующего конденсатора 13 блок управления 19 формирует импульсы на отпирание главного тиристора 10.

Заявляемое в качестве изобретения техническое решение обеспечивает бесперебойную работу тягового электропривода в нестационарном режиме за счет того, что выбирая, например, величину Δβ порядка 10% от величины коэффициента β₁, величины напряжения на коммутирующем конденсаторе 13 при любых нестационарных режимах будет достаточно для запирания главного тиристора 10, так как заявляемое устройство не допускает увеличения тока в шунтирующей цепи выше величины, при которой заряда на коммутирующем конденсаторе 13 не будет достаточно для запирания главного тиристора 10. Кроме того, заявляемое изобретение имеет значительно меньшие габариты за счет использования коммутирующего конденсатора меньшей емкости, тогда как в наиболее близком аналоге используется конденсатор с большой емкостью, так как алгоритм работы ближайшего аналога предполагает выключение тиристоров при больших токах в якорной и шунтирующей цепях.

Формула изобретения

Тяговый электропривод постоянного тока с тиристорным управлением, содержащий источник питания, выключатель, последовательно соединенные якорные обмотки первого и второго тяговых электродвигателей постоянного тока, последовательно соединенные обмотки возбуждения первого и второго тяговых электродвигателей постоянного тока, датчики тока возбуждения и тока якоря, а также прерыватель тока возбуждения, содержащий главный тиристор и тиристор гашения, аноды которых объединены и подключены к одному из выводов первого резистора, являющегося первым входом прерывателя тока возбуждения, другой вывод первого резистора соединен с одним из выводов коммутирующего конденсатора, катодом главного тиристора и с одним из выводов второго резистора, другой вывод которого соединен с выводом третьего резистора и с одним из выводов контактора ослабления возбуждения, другой вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, являющегося первым выходом прерывателя тока возбуждения, другой вывод коммутирующего конденсатора соединен с катодом тиристора гашения и одним из выводов четвертого резистора, другой вывод которого, являющийся вторым выходом прерывателя тока возбуждения, подключен к первому выводу датчика тока якоря, отличающийся тем, что дополнительно содержит первый и второй согласующие блоки, масштабирующий усилитель, компаратор, блок управления, блок защиты от юза и боксования, а также контактор шунтирования, один из выводов которого соединен с первым выходом прерывателя тока возбуждения, контакт управления контактора шунтирования соединен с первым входом блока управления, а второй вывод контактора шунтирования соединен с первыми выводами датчика тока якоря и датчика тока возбуждения, второй вывод которого соединен с одним из выводов обмотки возбуждения второго тягового электродвигателя, первый вывод обмотки возбуждения первого тягового электродвигателя соединен с одним из выводов обмотки якоря второго тягового электродвигателя, с первым входом прерывателя тока возбуждения и с первым входом блока защиты от юза и боксования, второй вход которого соединен с последовательно соединенными якорными обмотками первого и второго тяговых электродвигателей, а третий вход соединен с одним из выводов выключателя и одним из выводов якорной обмотки первого тягового электродвигателя, другой вывод выключателя соединен с источником питания, выход блока защиты от юза и боксования соединен со вторым входом блока управления, третий вход которого соединен с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом датчика тока якоря, а второй вход соединен с выходом масштабирующего усилителя, первый вход которого соединен с выходом датчика тока возбуждения, а второй вход соединен с контактом управления контактора ослабления возбуждения, являющимся третьим выходом прерывателя тока возбуждения, причем первый выход блока управления через первый согласующий блок соединен с управляющим электродом и катодом главного тиристора, являющимися вторым и третьим входами прерывателя тока возбуждения, а второй выход блока управления соединен через второй согласующий блок с управляющим электродом и катодом тиристора гашения, являющимися четвертым и пятым входами прерывателя тока возбуждения, причем другой вывод датчика тока якоря соединен с землей.

РИСУНКИ

Рисунок 1