Преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к преобразованию переменного тока в стабильный по напряжению постоянный с последующим преобразованием его в регулируемый постоянный и переменный для питания потребителей собственных нужд тепловоза. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей тепловоза независимо от позиций контроллера машиниста, формирование стабильного постоянного напряжения электроснабжения собственных нужд и их работа в номинальном режиме, упрощение конструкции тепловоза и электроснабжения собственных нужд второй и/или третьей секций от работающей секции тепловоза, повышение КПД вспомогательного трехфазного генератора и выпрямителя (преобразователя) переменного тока в постоянный. Указанный технический результат достигается тем, что в преобразовательном комплексе электроснабжения собственных нужд тепловоза, содержащем вспомогательный трехфазный синхронный генератор, к выходу которого подсоединен выпрямитель трехфазного тока в постоянный ток, к сети которого подключены потребители постоянного и через полупроводниковые преобразователи потребители переменного тока собственных нужд тепловоза, выпрямитель трехфазного тока выполнен в виде четырехквадрантного полупроводникового преобразователя, силовые IGBT-транзисторы которого по силовой части соединены непосредственно с выходом вспомогательного трехфазного синхронного генератора, а по управлению соединены с блоком векторного управления, выполненного во вращающейся синхронно с вектором входного напряжения вспомогательного трехфазного синхронного генератора системе координат, и входы которого соединены с датчиками входного линейного напряжения, двумя датчиками фазного входного тока и датчиком выходного постоянного напряжения черырехквадрантного полупроводникового преобразователя. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к преобразованию переменного тока в стабильный по напряжению постоянный с последующим преобразованием его в регулируемый постоянный и переменный для питания потребителей собственных нужд тепловоза.

Известен преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза, в частности асинхронных электродвигателей вентиляторов выпрямительной установки, тяговых электродвигателей и вентиляторов холодильной камеры тепловоза переменным напряжением от статорных обмоток тягового синхронного генератора как в режиме холостого хода, так и в режиме тяги. При этом электродвигатели постоянного тока компрессора получают питание от аккумуляторной батареи или стартер-генератора («Тепловоз 2ТЭ116», С.П. Филонов, А.И. Гибалов, Е.А. Никитин и др., 3-е изд., переработанное и дополненное. - М.: Транспорт, 1996, с.288-289).

Недостатком известного комплекса является питание электроприводов вспомогательных нужд тепловоза от источника электропитания (тягового генератора) с изменяющимся в широком диапазоне выходным напряжением, величина которого зависит от частоты вращения коленчатого вала дизеля и возбуждения тягового генератора, что существенно снижает производительность вентиляторов и коэффициент полезного действия (КПД) приводных электродвигателей, особенно в режимах трогания тепловоза с места и разгона.

Известен преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза от вспомогательного генератора, к выходу которого через статические преобразователи частоты и напряжения подключены трехфазные асинхронные электродвигатели вентиляторов тяговых преобразователей, тяговых электродвигателей и вентиляторов холодильной камеры тепловоза. Возбуждение тягового и вспомогательного генераторов выполнено от управляемых выпрямителей, которые питаются от обмотки вспомогательного генератора. При этом электродвигатели постоянного тока компрессора получают питание от аккумуляторной батареи или стартер-генератора («Магистральный тепловоз 2ТЭ25А: Структура системы управления и электрооборудования», журн. «Локомотив» №7., 2012, с.29-31).

Недостатками известного комплекса являются невозможность использования более надежного и дешевого, по сравнению с двигателем постоянного тока, асинхронного двигателя для привода компрессора тепловоза из-за нестабильного, зависящего от частоты вращения коленчатого вала дизеля напряжения на выходе вспомогательного генератора, а также невозможность параллельной работы двух вспомогательных генераторов из разных секций на общую трехфазную сеть с целью обеспечения режима «старт/стоп» (когда одна из секций заглушена), а также снижение производительности вентиляторов на низких позициях контроллера машиниста.

Известен преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза от тягового выпрямителя, к выходу которого через статический преобразователь напряжения (СПН) подключен трехфазный силовой согласующий трансформатор, выполняющий также функции гальванической развязки силовых цепей от вспомогательных, к которому подключены асинхронные электродвигатели вентиляторов тяговых преобразователей, тяговых электродвигателей, вентиляторов холодильной камеры тепловоза, преобразователь питания ботовой сети. При этом в случае выхода из строя СПН вход трансформатора переключается к выходу одного из шести тяговых преобразователей с соответствующим отключением тягового электродвигателя (FR, Заявка МХ 2011008603 20110815 МП/Х B60L 11/08, В61С 9/24, B60L 1/00, B60L 1/06 (А), 2012 г.).

Недостатками известного комплекса являются сложность выполнения СПН, работающего в широком диапазоне питающего высоковольтного напряжения, невозможность параллельной работы двух вспомогательных трехфазных сетей из разных секций на общую трехфазную сеть с целью обеспечения режима «старт/стоп» (когда одна из секций заглушена), использование высоковольтных переключателей для резервирования, снижающих надежность системы питания, использование громоздкого согласующего трансформатора для гальванической развязки силовых цепей от цепей вспомогательных нужд.

Известен преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза от вспомогательного синхронного генератора специальной конструкции, обмотка возбуждения которого является трехфазной, питается не постоянным, а трехфазным напряжением с выхода преобразователя частоты и напряжения с целью поддержания выходной частоты вспомогательного генератора на заданном уровне. При этом питание электроприводов вспомогательных нужд обеспечивается стабильным по частоте напряжением независимо от позиции контроллера машиниста (WO, Заявка 2008127782 А1, МПК B60L 11/06, Н02Р 9/42, 2008 г.).

Недостатками известного комплекса являются сложность конструкции указанного генератора специальной конструкции, наличие трехфазного ненадежного щеточного аппарата для подвода трехфазного напряжения к вращающемуся ротору, отсутствие стабилизации напряжения на выходе генератора по его величине в зависимости от позиции контроллера машиниста, что приводит к необходимости использования двигателей вентиляторов с повышенным скольжением и соответственно с низким КПД.

Известен преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза, принятый за прототип, при котором к выходу вспомогательного трехфазного синхронного генератора подключен неуправляемый выпрямитель, выполненный по трехфазной мостовой схеме Ларионова, выходом которого является сеть постоянного тока, к которой подключают блоки питания бортовой сети, импульсные регуляторы возбуждения тягового и вспомогательного генератора, инверторы электроприводов трехфазного тока вентиляторов и компрессоров, или вместо вспомогательного генератора и выпрямителя сеть постоянного тока организуется с помощью бортового аккумулятора (US, Патент №6486568 В1, МПК H02J 5/00, 2002 г.).

Недостатком известного комплекса является отсутствие стабилизации напряжения после выпрямителя на разных позициях контроллера машиниста при питании его от вспомогательного генератора или наличие дорогостоящей, тяжелой, требующей периодического обслуживания в эксплуатации и недолговечной аккумуляторной батареи.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей тепловоза независимо от позиций контроллера машиниста, формирование стабильного постоянного напряжения электроснабжения собственных нужд и их работа в номинальном режиме, упрощение конструкции тепловоза и электроснабжения собственных нужд второй и/или третьей секций от работающей секции тепловоза, повышение КПД вспомогательного трехфазного генератора и выпрямителя (преобразователя) переменного тока в постоянный.

Указанный технический результат достигается тем, что в преобразовательном комплексе электроснабжения собственных нужд тепловоза, содержащем вспомогательный трехфазный синхронный генератор, к выходу которого подсоединен выпрямитель трехфазного тока в постоянный ток, к сети которого подключены потребители постоянного и через полупроводниковые преобразователи потребители переменного тока собственных нужд тепловоза, выпрямитель трехфазного тока выполнен в виде четырехквадрантного полупроводникового преобразователя, силовые IGBT-транзисторы которого по силовой части соединены непосредственно с выходом вспомогательного трехфазного синхронного генератора, а по управлению соединены с блоком векторного управления, выполненного во вращающейся синхронно с вектором входного напряжения вспомогательного трехфазного синхронного генератора системе координат, и входы которого соединены с датчиками входного линейного напряжения, двумя датчиками фазного входного тока и датчиком выходного постоянного напряжения черырехквадрантного полупроводникового преобразователя.

На Фиг.1 изображена структурная схема преобразовательного комплекса электроснабжения собственных нужд тепловоза с потребителями постоянного и переменного тока.

На Фиг.2 изображена схема четырехквадрантного полупроводникового преобразователя преобразовательного комплекса электроснабжения собственных нужд тепловоза.

Преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза (Фиг.1) содержит вспомогательный трехфазный синхронный генератор 1, приводимый во вращение дизелем 2. К вспомогательному трехфазному синхронному генератору подсоединен четырехквадрантный полупроводниковый преобразователь 3, выполняющий роль управляемого выпрямителя трехфазного тока от вспомогательного трехфазного синхронного генератора 1 в постоянный ток, к сети которого подключают потребители постоянного тока собственных нужд тепловоза: преобразователь 4 бортовой сети тепловоза, регулятор 5 возбуждения тягового (на Фиг. не показан) и вспомогательного трехфазного синхронного генератора 1, и потребители переменного тока собственных нужд через полупроводниковый преобразователь 6 постоянного тока в переменный для питания асинхронных электродвигателей 7 вентиляторов тепловоза и через полупроводниковый преобразователь 8 постоянного тока в переменный для питания асинхронного электродвигателя 9 компрессорной установки. Кроме того, постоянное стабильное напряжение Udc′ с четырехквадрантного полупроводникового преобразователя подключено к внешней головной 10 и задней 11 розеткам тепловоза для передачи тока на соседнюю секцию двух- или многосекционного тепловоза для обеспечения питания асинхронного электродвигателя 9 его компрессорной установки бортовой сети тепловоза и асинхронного электродвигателя 7 вентиляторов при заглушенном дизеле.

Четырехквадрантный полупроводниковый преобразователь 3 (Фиг.2) содержит шесть силовых IGBT-транзисторов 12, включенные по мостовой схеме, соединенные непосредственно с выходом вспомогательного трехфазного синхронного генератора 1 без включения силовых индуктивных элементов на входе каждой фазы А, B и С, роль которых выполняют обмотки этого генератора, и шунтированные обратными диодами 13, два датчика 14 и 15 входного линейного напряжения фаз А, В и С - U_AB и U_BC, два датчика 16 и 17 фазного тока любых фаз А, В и С, например фаз А и В токов 1д и 1в, датчик 18 выходного постоянного напряжения и емкость 19, подключенные параллельно выходному напряжению Udc′ постоянного тока четырехквадрантного полупроводникового преобразователя 3, а также содержит блок 20 векторного управления, выполненный во вращающейся синхронно с вектором входного напряжения Ur вспомогательного трехфазного синхронного генератора 1 в системе координат.

Блок 20 векторного управления своими входами соединен с датчиками 14 и 15 входного линейного напряжения U_AB и V_BC, датчиком 18 выходного постоянного напряжения Udc′ и двумя датчиками 16 и 17 фазного входного тока 1д и 1в четырехквадрантного полупроводникового преобразователя 3. Выход блока 20 векторного управления соединен с силовыми IGBT-транзисторами 12 четырехквадрантного полупроводникового преобразователя 3 для управления ими.

Преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза работает следующим образом.

К вспомогательному синхронному трехфазному генератору 1 тепловоза, приводимому во вращение дизелем 2, подсоединяют четырехквадрантный полупроводниковый преобразователь 3, выполненный по трехфазной мостовой схеме, выходом которого является сеть постоянного тока, к которой подключают потребители тепловоза собственных нужд постоянного тока и напряжения сети Udc′: преобразователь 4 бортовой сети тепловоза, регулятор 5 возбуждения тягового и вспомогательного синхронного генератора, головную 10 и заднюю 11 розетки тепловоза, и потребители собственных нужд переменного тока: асинхронные электродвигатели 7 вентиляторов тепловоза и асинхронный электродвигатель 9 компрессорной установки, соответственно, через полупроводниковые преобразователи 6 и 8 постоянного тока в переменный трехфазный ток, при этом постоянное напряжение сети Udc′ от головной 10 и задней 11 розеток передается на соседнюю секцию двух или многосекционного тепловоза для обеспечения питания его асинхронного электродвигателя 9 компрессорной установки, асинхронных электродвигателей 7 вентиляторов тепловозов и всей бортовой сети тепловоза при заглушенном дизеле 2.

С датчиков 14 и 15 входного линейного напряжения, датчиков 16 и 17 фазного входного тока и датчика 18 выходного напряжения постоянного тока сигналы мгновенных значений двух линейных напряжений U_AB и U_BC, двух фазных токов, например I_A и I_B, постоянного напряжения Udc′ четырехквадрантного полупроводникового преобразователя 3 направляют на входы блока 20 векторного управления.

С выхода блока 20 векторного управления направляют сигналы управления, сформированные в соответствии с алгоритмом управления и выбранным способом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), на входы управления силовых IGBT-транзисторов 12 четырехквадрантного полупроводникового преобразователя 3, изменяют амплитуду входного тока в четырехквадрантном полупроводниковом преобразователе 3 путем задания реактивной составляющей тока, достигают наименьшего значения входного тока при условии совпадения фазы потребляемого тока с фазой внутренней ЭДС вспомогательного трехфазного синхронного генератора 1 путем изменения задания на реактивную составляющую тока при минимуме потребляемого тока потребителями собственных нужд, что соответствует потреблению тока от вспомогательного трехфазного синхронного генератора 1 только активной мощности и стабилизируют выходное напряжение постоянного тока четырехквадрантного полупроводникового преобразователя 3 на номинальном уровне независимо от выбранной позиции контроллера машиниста (на Фиг. не показано). Для своей работы четырехквадрантный полупроводниковый преобразователь 3 использует индуктивности фазных обмоток вспомогательного трехфазного генератора 1, при этом форма потребляемого фазного тока от него близка к синусоидальной, благодаря чему преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза имеет коэффициент мощности, близкий к единице, за счет сведения к нулю реактивной составляющей тока, потребляемого от вспомогательного трехфазного синхронного генератора 1, при этом повышается КПД вспомогательного трехфазного синхронного генератора 1 и четырехквадрантного полупроводникового преобразователя 3.

Использование преобразовательного комплекса электроснабжения собственных нужд тепловоза позволяет стабилизировать его выходное постоянное напряжение на номинальном уровне независимо от выбранной позиции контроллера машиниста, что позволяет всем потребителям собственных нужд, подключенным к данной сети, также работать в номинальном режиме, обеспечить работу потребителей вспомогательных нужд на секции тепловоза с заглушенным дизелем 2, при этом упрощается сам преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза, электроснабжения второй и/или третьей секции за счет использования двух проводов и одного двухконтактного разъема для передачи электроэнергии.

Предлагаемый преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза будет использоваться на тепловозах 2ТЭ25А, 2ТЭ25К, 2ТЭ116У, ТЭП70БС.

Преобразовательный комплекс электроснабжения собственных нужд тепловоза, содержащий вспомогательный трехфазный синхронный генератор, к выходу которого подсоединен выпрямитель трехфазного тока в постоянный ток, к сети которого подключены потребители постоянного и через полупроводниковые преобразователи потребители переменного тока собственных нужд тепловоза, отличающийся тем, что выпрямитель трехфазного тока выполнен в виде четырехквадрантного полупроводникового преобразователя, силовые IGBT-транзисторы которого по силовой части соединены непосредственно с выходом вспомогательного трехфазного синхронного генератора, а по управлению соединены с блоком векторного управления, выполненного во вращающейся синхронно с вектором входного напряжения вспомогательного трехфазного синхронного генератора системе координат, и входы которого соединены с датчиками входного линейного напряжения, двумя датчиками фазного входного тока и датчиком выходного постоянного напряжения четырехквадрантного полупроводникового преобразователя.