Тяговый привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием
Владельцы патента RU 2351483:
Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения" (ОАО "ВэлНИИ") (RU)
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и направлено на усовершенствование объектов электроподвижного состава постоянного тока с электрическим торможением. Тяговый привод электропоезда постоянного тока выполнен с импульсным регулированием и содержит последовательно подключенные к контактной сети токоприемник, входной дроссель, импульсные преобразователи.. В тяговом приводе между обмотками якоря и обмотками возбуждения подключен контакт обеспечения независимого возбуждения, зашунтированный защитным тиристором. Импульсный регулятор и обмотки якоря шунтированы тормозным резистором и контактом подключения тормозного резистора. Параллельно импульсному регулятору и линейной контактной паре якорной цепи подключен диод, катодом подключенный к входу импульсного регулятора и анодом к общей точке входа сглаживающего реактора и контакту подключения тормозного резистора. Технический результат - уменьшение количества силовых элементов, повышение эффективности защиты от коротких замыканий при обеспечении реостатного и рекуперативного торможения. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к электрооборудованию и преобразовательной технике электроподвижного состава постоянного тока с коллекторными тяговыми двигателями.
Известен тяговый привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием, содержащий электрический фильтр, четыре тяговых двигателя постоянного тока, соединенных последовательно-параллельно, импульсные регуляторы, питающие цепи последовательно соединенных двигателей, каждый импульсный регулятор содержит тиристор, коммутирующий конденсатор и дроссель. Между каждым импульсным регулятором и двигателем установлен сглаживающий реактор (Б.Н.Тихменев, Л.М.Трахтман / Подвижной состав электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1980, рис.238, стр.244).
Недостатком привода является наличие узла принудительной коммутации тиристоров, приводящего к ухудшению качества регулирования и преобразования напряжения тяговых двигателей. В случае короткого замыкания привод не обеспечивает быстрой ликвидации нарастания аварийного тока, что снижает эффективность защиты от аварийных режимов.
Наиболее близким по технической сущности является привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием (Патент РФ 2006168), содержащий последовательно подключенные к контактной сети токоприемник, входной дроссель, импульсные преобразователи, каждый из которых содержит импульсный регулятор, параллельно которому подключен фильтровый конденсатор, двигатели, имеющие обмотки якоря и возбуждения, диод, включенный между общей точкой соединения обмоток двигателя, прерывателя и токоприемника, первый и второй коммутационные элементы, конденсатор и дополнительный диод, причем первый коммутационный элемент включен последовательно в цепь импульсного прерывателя и к его контактам подключен конденсатор, а дополнительный диод и второй коммутационный элемент соединены последовательно, и эта цепочка включена параллельно обмоткам двигателя.
Привод обладает повышенной склонностью к боксованию, низкими тяговыми свойствами. Обладая возможностью реализации реостатного торможения, приводом не обеспечивается рекуперативное торможение на сериесном и сериесно-параллельном соединении.
Также приводом не обеспечивается должная защита в режиме короткого замыкания.
Задачей изобретения является обеспечение двух видов электрического торможения: реостатного и рекуперативного, повышение тяговых свойств и эффективности системы защиты тягового привода электропоезда с импульсным регулированием от короткого замыкания за счет совершенствования схемы привода. Второстепенной задачей является обеспечение перехода с одного вида соединения тяговых двигателей на другой без разбора силовой схемы.
Поставленная задача решается тем, что тяговый привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием, содержащий последовательно подключенные к контактной сети токоприемник, входной дроссель, импульсные преобразователи, каждый из которых содержит импульсный регулятор, параллельно которому подключен фильтровый конденсатор, двигатели, имеющие обмотки якоря и возбуждения, дополнительно содержит новые признаки - импульсные преобразователи выполнены следующим образом: между обмотками якоря и обмотками возбуждения подключена контактная пара обеспечения независимого возбуждения, зашунтированная защитным тиристором, анодом подключенным к общей точке соединения одного из контактов контактной пары обеспечения независимого возбуждения, входной клеммы первой обмотки возбуждения и одного из контактов линейной контактной пары. Другой контакт этой пары подключен к выходу импульсного регулятора, при этом импульсный регулятор и обмотки якоря шунтированы тормозным резистором и контактной парой подключения тормозного резистора. Импульсный регулятор шунтирован контактной парой обеспечения последовательного возбуждения, параллельно импульсному регулятору и линейной контактной паре якорной цепи подключен диод, катодом подключенный к входу импульсного регулятора и анодом к общей точке входа сглаживающего реактора и контактной паре подключения тормозного резистора, а к выходу якорной цепи и катоду защитного тиристора подключена контактная пара выключателя быстродействующего и шунтирующий ее резистор. При этом выход обмотки возбуждения первого импульсного преобразователя имеет связь с «землей» нормально открытой контактной парой и с анодом первого диода перехода, а катод этого диода перехода подключен к выходу выключателя быстродействующего первого импульсного преобразователя, аноду второго диода перехода шунтированного так же, как и первый диод перехода, нормально закрытой контактной парой, катод второго диода перехода подключен к одному из контактов контактной пары якорной цепи и к входу сглаживающего реактора второго импульсного преобразователя.
Положительный эффект изобретения проявляется в том, что предлагаемое техническое решение позволяет реализовать в приводе защиту от к.з., обеспечивает два вида электрического торможения: реостатное и рекуперативное. Дополнительно привод обеспечивает переход с одного вида соединения тяговых двигателей на другой без разбора силовой схемы.
На чертеже представлен тяговый привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием.
Тяговый привод содержит последовательно подключенные к контактной сети 1 токоприемник 2, входной дроссель 3, два импульсных преобразователя 4 и 5, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных коллекторных тяговых двигателей с обмотками якорей 6 и 7 и обмотками возбуждения 8 и 9. Каждый импульсный преобразователь 4 и 5 содержит также импульсный регулятор (ИР) 10 (чоппер), тормозной резистор 11 подключенный параллельно обмоткам якоря 6 и 7, сглаживающий реактор (СР) 12, включенный между импульсным регулятором 10 и обмотками якорей 6 и 7. Между обмоткой якоря 7 и обмоткой возбуждения 9 подключена нормально замкнутая контактная пара обеспечения независимого возбуждения 13, шунтирующий эту пару защитный тиристор 14, анодом подключенный к общей точке соединения одного контакта контактной пары обеспечения независимого возбуждения 13, входной клеммы первой обмотки возбуждения 9 и одного из контактов линейной контактной пары 15, другой контакт контактной пары 15 подключен к выходу импульсного регулятора 10, при этом импульсный регулятор 10 и обмотки якоря 6 и 7 шунтированы тормозным резистором 11 и контактной парой 16 подключения тормозного резистора 11. Импульсный регулятор 10 каждого импульсного преобразователя 4 и 5 шунтирован контактной парой последовательного возбуждения 18. Параллельно импульсному регулятору 10 и линейной контактной паре 19 якорной цепи подключен диод 20, катодом подключенный к входу импульсного регулятора 10, а анодом подключенный к общей точке соединения входа сглаживающего реактора 12 и одного из контактов контактной пары 16, другой контакт которой соединен с тормозным резистором 11. Диод перехода 17 зашунтирован нормально закрытой контактной парой 23 и подключен к выходу обмотки возбуждения 8, а катодом к выходу контактной пары выключателя быстродействующего 26. К общей точке соединения катода диода перехода 17 и выходу обмотки возбуждения 8 тягового двигателя импульсного преобразователя 4 подключен неподвижный нормально замкнутый контакт контактной пары 24, другой (подвижный) контакт которого подключен к «земле» 25. Между катодом диода перехода 17 и анодом защитного тиристора 14 каждого импульсного преобразователя 4 и 5 подключен контакт контактной пары выключателя быстродействующего 26, шунтированный резистором 27, а общая точка соединения катода диода перехода 17 соединена с анодом другого (второго) диода перехода 28, при этом общая точка катода диода перехода 28 и нормально замкнутой контактной пары 29 его шунтирующей подключена к входу сглаживающего реактора 12 и аноду диода 20 второго импульсного преобразователя 5. Каждый импульсный регулятор 10 подключен к входному дросселю 3 контактной парой 30, к входному дросселю 3 подключен также фильтровый конденсатор 31, последовательно с которым анодом подключен диод 32, катодом подключенный к выходу импульсного регулятора 10.
Схемой предусмотрено 2 группировки соединения тяговых двигателей: последовательное (сериесное-С) четырех последовательно соединенных тяговых двигателя и последовательно-параллельное соединение (сериесно-параллельное-СП) тяговых двигателей - две параллельно соединенные группы из двух последовательно соединенных двигателей.
Ниже приведено назначение специфических элементов привода.
Дроссель 3 и конденсатор 31 образуют фильтр. Тормозной резистор 11 обеспечивает реостатное торможение. Контакты тормозного резистора обеспечивают ступенчатое изменение сопротивления тормозного резистора, а следовательно, величины тока, протекающего через тормозной резистор 11. СР 12 сглаживает пульсации тока якоря, вызванные работой ИР 10 или переключениями секций тормозного резистора 11. Контактная пара 13 обеспечивает независимое возбуждение в режиме электрического торможения. В режиме электрического торможения при независимом возбуждении контактная пара 13 разомкнута. В случае короткого замыкания при работе в режиме последовательного возбуждения обмоток возбуждения 8 и 9 контактную пару 13 размыкают. Защитный тиристор 14 обеспечивает реверсирование тока возбуждения при коротком замыкании в режиме рекуперативного торможения. Контактная пара 15 в замкнутом состоянии обеспечивает режим последовательного возбуждения двигателей. Контактная пара 16 обеспечивает подключение тормозного резистора в случае сбора схемы реостатного или реостатно-рекуперативного торможения. Диоды 17 (первый диод перехода) и 28 (второй диод перехода) обеспечивают перегруппировку двигателей без разрыва силовой цепи, без толчка силы тяги на валу двигателей. Контактная пара 18 обеспечивает шунтирование ИР 10 в случае его выхода из строя, или при работе привода на ходовой позиции электропоезда, или при работе на последовательном возбуждении для снижения потерь энергии в ИР 10. Контактная пара 19 в замкнутом состоянии образует цепь тяги. В режиме электрического торможения контактную пару 19 размыкают. Диод 20 обеспечивает протекание тока рекуперации при ПВ, т.е. минуя ИР 10. Выключатель быстродействующий токоограничивающий (ВБТ) 26 - обеспечивает защиту от перегрузок на всем участке тяговой цепи в режимах тяги и электрического торможения. Резистор 27 обеспечивает ограничение аварийного тока при коротком замыкании. Диод 32 - для развязывания входной цепи питания и «земли» 25.
Подключение подвижных и неподвижных контактов контактных пар к элементам схемы может быть изменено на противоположное. Указанные контактные пары могут являться контактами таких аппаратов как: переключатели, выключатели, контакторы и других коммутационных электрических и пневматических аппаратов и устройств.
Возможно исполнение схемы, согласно которой дроссель 12 может быть установлен между импульсным регулятором 10 и контактной парой 19.
Диаграмма замыкания силовых контактов тягового привода, включая прямые и обратные переходы, с одной группировки тяговых двигателей на другую, представлена ниже в таблице.
Нормальное состояние контактных пар на чертеже соответствует режиму тяги с последовательным (сериесным) включением четырех тяговых двигателей (С-соединение). Количество двигателей в тяговом приводе может быть больше как последовательно, так и параллельно.
Тяговый привод электропоезда работает следующим образом.
В режиме тяги на сериесном соединении (С-соединение) путь тока составит: контактная сеть 1, токоприемник 2, дроссель 3, контактная пара 30, ИР 10, контактная пара 19, сглаживающий реактор 12, обмотки якорей (ОЯ) 6 и 7, контактная пара (переключатель) 13, обмотки возбуждения (OB) 8 и 9 импульсного преобразователя 4, нормально закрытые контактные пары 23 и 29 и далее, аналогичные элементы ИП 5: сглаживающий реактор 12, ОЯ 6 и 7, переключатель 13, OB 8 и 9 импульсного преобразователя 5, «земля» 25.
При этом максимальное напряжение на каждом из двигателей составит 1/4 от напряжения контактной сети 1. Значение напряжения на тяговых двигателях 6 и 7 можно понизить, регулируя его импульсным регулятором 10 одного из ИП, например ИП 4. Для этого открывают/закрывают транзистор ИР 10, уменьшая тем самым длительность проводящего состояния коммутируемого тока.
Для перехода с сериесного соединения (С) на сериесно-параллельное (СП) соединение тяговых двигателей (две параллельные группы из двух последовательно соединенных двигателей) размыкают контактные пары 23 и 29, подготавливая схему к группировке 2×2. Завершают процесс перехода на соединение СП замыканием контактной пары 24.
На соединении СП путь тока составит: контактная сеть 1, токоприемник 2, дроссель 3. Далее цепь разделяется на две параллельные цепи.
Первая цепь: ИП 4 в составе: контактная пара 30, ИР 10, контактная пара 19, сглаживающий реактор 12, ОЯ 6 и 7, контактная пара (переключатель) 13, OB 8 и 9, контактная пара 24, «земля» 25.
Вторая цепь: ИП 5 в составе: контактная пара 30, ИР 10, контактная пара 19, сглаживающий реактор 12, ОЯ 6 и 7, контактная пара (переключатель) 13, OB 8 и 9, «земля» 25.
На соединении СП оба ИР 10 ИП 4 и ИП 5 работают с одинаковой частотой тактирования вентилей. При этом неравенство напряжения в параллельных цепях на тяговых двигателях можно исключить, применив регулирование напряжения в цепи с большим напряжением в соответствии с выражением UD=UDMIN, где UDMIN - напряжение в ветви двигателя с меньшим напряжением. Таким образом решается задача повышения тяговых свойств. Т.е. плавностью преобразования энергии и устранением бросков и пульсаций тока обеспечиваются сцепные свойства колеса с рельсом электропоезда.
На ходовой позиции замыкают контактную пару 18 тем самым, шунтируя ИР 10, и через ОЯ 6 и 7 протекает продолжительный (номинальный) ток. При этом в ИР 10 не происходит электрических потерь, вызванных коммутацией его полупроводниковых элементов, что повышает экономичность привода.
В конце каждой группировки выполняют ослабление поля двигателей. На последовательном возбуждении для этого подключают тормозные резисторы 11, выводя последовательно их ступени.
Переход с одного вида торможения на другой, например с реостатного на рекуперативное, осуществляют в приводе без разбора силовой схемы. Для этого понижают ток возбуждения и выполняют переключения контактов в соответствии с диаграммой замыкания.
При плохих условиях сцепления защита от боксования обеспечивается шунтированием обмоток якорей 6 и 7 резистором 11. Для этого замыкают контакты контактной группы 16.
Защита тягового электропривода работает следующим образом.
При возникновении в тяговой цепи аварийного тока, превышающего уставку срабатывания ВБТ 26, контактную пару ВБТ 26 размыкают, и аварийный ток протекает через резистор 27, тем самым, ограничивая себя по амплитуде и размагничивая цепь возбуждения. При этом тиристором 14 реверсируется (меняет направление) ток возбуждения.
Измерительные устройства - датчики тока и напряжения на схеме привода не показаны.
Контактная пара ВБТ 26 в режиме тяги может быть отключена.
Предлагаемое изобретение позволило уменьшить количество диодов, импульсных преобразователей, конденсаторов и контактов в приводе.
Технический результат изобретения - наличие реостатного и рекуперативного торможения с независимым возбуждением, сокращение массы, снижение массогабаритных показателей, переход с одного вида торможения на другой без разбора силовой схемы. Едиными защитными средствами обеспечивается защита привода от аварийных режимов в реостатном и рекуперативном режимах за счет плавного импульсного управления обеспечивается переход с одного вида соединения тяговых двигателей на другой без разбора силовой схемы.
За счет индивидуального управления обеспечивается выравнивание напряжений последовательно включенных тяговых двигателей.
| Таблица | |||||||||||||||||
| Диаграмма состояния контактов коммутационной аппаратуры тягового электропривода электропоезда с импульсным регулированием | |||||||||||||||||
| Соединение ТД и режим | Состояние силовых контактов аппаратов | ||||||||||||||||
| Импульсный преобразователь 4 | Импульсный преобразователь 5 | ||||||||||||||||
| 13 | 15 | 16 | 18 | 19 | 26 | 30 | 13 | 15 | 16 | 18 | 19 | 26 | 30 | 23 | 24 | 29 | |
| Тяга С-соединение | + | + | + | + | + | + | |||||||||||
| Тяга С-соединение ходовая позиция | + | + | + | + | + | + | + | ||||||||||
| Тяга прямой переход С→СП | + | + | + | + | + | ||||||||||||
| Тяга СП-соединение | + | + | + | + | + | + | + | ||||||||||
| Тяга СП-соединение ходовая позиция | + | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||||||
| Тяга, обратный переход СП→С | + | + | + | + | + | + | |||||||||||
| Переход в рекуперацию СП-соединение | + | + | + | + | + | ||||||||||||
| Рекуперация СП-соединение | + | + | + | + | + | + | + | ||||||||||
| Рекуперация, переход СП→С | + | + | + | + | + | + | |||||||||||
| Рекуперация, С-соединение | + | + | + | + | + | + | + | + | |||||||||
| Реостатное торможение с независимым возбуждением | + | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||||||
| + контакты замкнуты |
Тяговый привод электропоезда постоянного тока с импульсным регулированием, содержащий последовательно подключенные к контактной сети токоприемник, входной дроссель, импульсные преобразователи, каждый из которых содержит импульсный регулятор, параллельно которому подключен фильтровый конденсатор, двигатели, имеющие обмотки якоря и возбуждения, отличающийся тем, что между обмотками якоря и обмотками возбуждения подключена контактная пара обеспечения независимого возбуждения, зашунтированная защитным тиристором, анодом подключенным к общей точке соединения одного из контактов контактной пары обеспечения независимого возбуждения, входной клеммы первой обмотки возбуждения и одного из контактов линейной контактной пары, другой контакт этой пары подключен к выходу импульсного регулятора, при этом импульсный регулятор и обмотки якоря шунтированы тормозным резистором и контактной парой подключения тормозного резистора, импульсный регулятор шунтирован контактной парой обеспечения последовательного возбуждения, параллельно импульсному регулятору и линейной контактной паре якорной цепи подключен диод, катодом подключенный к входу импульсного регулятора и анодом к общей точке входа сглаживающего реактора и контактной паре подключения тормозного резистора, а к выходу якорной цепи и катоду защитного тиристора подключена контактная пара выключателя быстродействующего и шунтирующий ее резистор, при этом выход обмотки возбуждения первого импульсного преобразователя имеет связь с «землей» нормально открытой контактной парой и с анодом первого диода перехода, а катод этого диода перехода подключен к выходу выключателя быстродействующего первого импульсного преобразователя, аноду второго диода перехода шунтированного, также как и первый диод перехода, нормально закрытой контактной парой, катод второго диода перехода подключен к одному из контактов контактной пары якорной цепи и к входу сглаживающего реактора второго импульсного преобразователя.
