АВТОНОМНЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1996 года по МПК B60L11/06 

Изобретение относится к транспорту и может быть использовано в электроприводах автономных транспортных средств, например большегрузных карьерных самосвалов.

Известен тяговый электропривод, содержащий два тяговых электродвигателя, якорные обмотки и обмотки возбуждения которых соединены в одну последовательную кольцевую цепь с выходными цепями двух управляемых мостовых выпрямителей, питаемых от двух потенциально развязанных якорных обмоток синхронного генератора, две состоящие из последовательно соединенных тормозного резистора и диода цепи, первая из которых включена параллельно выходу первого выпрямителя, а вторая шунтирована тиристором и включена параллельно последовательной цепи, состоящей из второго выпрямителя и обмоток возбуждения электродвигателей, дополнительную анодную группу тиристоров, каждый из которых включен параллельно цепи, содержащей последовательно соединенные обмотки возбуждения электродвигателей и соответствующий тиристор анодной группы второго выпрямителя, и тиристор, включенный между точкой соединения анодной группы тиристоров второго выпрямителя с обмоткой возбуждения электродвигателя и нулевым выводом обмотки генератора, питающей этот выпрямитель.

В рассматриваемом электроприводе обеспечивается выравнивание нагрузок электродвигателей, бесконтактное изменение направления тока в обмотках возбуждения электродвигателей и плавное ослабление их магнитных потоков. Кроме того, в этом электроприводе обеспечивается возможность электрического торможения. Достоинством такого электропривода является также возможность повышения эффективности электрического торможения при низких скоростях путем уменьшения суммарного сопротивления тормозных резисторов за счет отпирания тиристоров, включенного параллельно цепи, содержащей один из тормозных резисторов.

Однако этот электропривод имеет ряд недостатков. Прежде всего, это усложнение системы автоматического регулирования и ухудшение качества регулирования, обусловленные зависимостью тока возбуждения электродвигателей при движении назад и в тормозном режиме от двух параметров: тока возбуждения синхронного генератора и угла регулирования тиристоров дополнительной анодной группы. Кроме того, в рассматриваемом электроприводе не обеспечивается электрическое торможение при движении назад.

Наиболее близким к предлагаемому является автономный тяговый электропривод, содержащий тяговую электрическую цепь с соединенными посредством контакторов и контактов реверсора в одну последовательную цепь якорными обмотками двух тяговых электродвигаталей, двумя выпрямителями, каждый из которых питается от соответствующей якорной обмотки генератора переменного тока, двумя соединенными последовательно обмотками возбуждения электродвигаталей, и две тормозные электрические цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных резистора и диода и подключена параллельно якорной обмотке соответствующего электродвигателя.

В этом электроприводе также обеспечивается выравнивание нагрузок и электрическое торможение электродвигателей посредством соединения их якорных обмоток в одну последовательную цепь, а также электрическое торможение, причем эффективность последнего может быть повышена за счет повышения токов в якорных обмотках и в обмотках возбуждения электродвигателей посредством повышения напряжения мостовых выпрямителей.

Однако при переходе из тормозного режима в тяговый токи в обмотках возбуждения электродвигаталей и, соответственно, их магнитные потоки реверсируются. Поэтому сборка силовой цепи тягового режима после электрического торможения осуществляется при достаточных магнитных потоках электродвигателей, соответствующих их генераторному режиму. Поэтому остаточные ЭДС якорей электродвигателей после замыкания линейных контакторов вызывают появление тормозных токов, величины которых при достаточно высоких скоростях могут достигать недопустимых значений вследствие того, что в этот момент каждый тормозной резистор шунтирован соответствующим линейным контактором. Для исключения этого при переходе из тормозного режима в тяговый необходим специальный кратковременный режим перемагничивания магнитной системы электродвигателей с введенными в силовую цепь тормозными резисторами, что усложняет алгоритм управления коммутационной аппаратурой электропривода и снижает его надежность. Кроме того без дополнительных устройств искусственной коммутации этот электропривод на может быть реализован на бесконтактных коммутирующих элементах.

Техническим результатом изобретения является устранение недостатков прототипа.

Это достигается тем, что в тяговый электропривод, содержащий тяговую электрическую цепь с последовательно соединенными якорной обмоткой первого тягового электродвигателя, первым силовым коммутирующим элементом, первым мостовым выпрямителем, якорной обмоткой второго тягового электродвигателя и вторым силовым коммутирующим элементом, синхронный генератор, первая группа якорных обмоток которого подключена к входу первого мостового выпрямителя, две тормозные электрические цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных резистора и диода и включена с возможностью пропускания якорного тока тягового электродвигателя в режиме торможения, реверсор, состоящий из соединенных последовательно с чередованием двух замыкающих и двух размыкающих коммутирующих элементов и подключенный центральным выводом к одному из свободных выводов последовательно соединенных обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, второй мостовой выпрямитель, вход которого подключен к второй группе якорных обмоток синхронного генератора, согласно изобретению введен третий силовой коммутирующий элемент, включенный между свободными выводами упомянутой тяговой цепи. При этом общий вывод второго и третьего коммутирующих элементов соединен с другим свободным выводом обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, а реверсор промежуточными выводами подключен к выходу второго мостового выпрямителя, а крайними выводами к выводам якорных обмоток тяговых электродвигателей с внешней стороны тяговой электрической цепи.

При применении диодов в качестве вентильных мостовых выпрямителей силовые коммутирующие элементы и коммутирующие элементы реверсора выполняются контактными. При выполнении вентильных элементов первого мостового выпрямителя и коммутирующих элементов реверсора в виде тиристорных групп с количеством тиристоров в каждой группе, равным числу фаз синхронного генеpатора, одна из тиристорных групп первого мостового выпрямителя является одновременно первым силовым коммутирующим элементом, а совокупность нечетных или четных групп тиристоров реверсора вторым мостовым выпрямителем. При этом тиристоры первой, второй, третьей и четвертой групп реверсора соединены между собой соответственно одними и другими одноименными выводами.

В предлагаемом электропривде возможны два варианта подключения тормозных электрических цепей. В первом варианте одна тормозная цепь включена между выводами якорных обмоток тяговых электродвигателей с внутренней стороны тяговой электрической цепи, а другая тормозная цепь параллельно третьему коммутирующему элементу. При этом в качестве второго и третьего силовых коммутирующих элементов могут быть применены, соответственно, диод и тиристор. Во втором варианте каждая из тормозных электрических цепей включена параллельно якорной обмотке соответствующего электродвигателя. При этом, когда в качестве второго и третьего силовых коммутирующих элементов применены диоды, они шунтированы общим тиристором.

На фиг.1 и 3 представлен тяговый электропривод, реализуемый на диодах и контактных коммутирующих элементах; на фиг.2 и 4 электропривод, реализуемый только на полупроводниковых коммутирующих элементах. При этом на фиг.1 и 2 тормозные резисторы подключены по первому варианту; на фиг.3 и 4 по второму.

Тяговый электропривод содержит два тяговых электродвигателя, якорные обмотки 1, 2 и обмотки 3, 4 возбуждения которых соединены с двумя группами якорных обмоток 5, 6 синхронного генератора посредством вентилей первого мостового выпрямителя 7, второго мостового выпрямителя, представленного на фиг.1 и 3 в виде неуправляемого выпрямителя 8, а также первого 9, второго 10 и третьего 14 силовых коммутирующих элементов и коммутирующих элементов 12, 13, 14, 15 реверсора, представленного на фиг.1 и 3 в виде чередующихся замыкающих и размыкающих контактов 12, 13, 14, 15, в одну последовательную цепь. На фиг.2 и 4 второй мостовой выпрямитель представлен в виде управляемого выпрямителя, образованного катодными и анодными группами тиристоров 12 и 14 или 13 и 15, которые в этом случае одновременно являются и коммутирующими элементами реверсора. Две тормозные цепи, каждая из которых образована соединенными последовательно резистором 16 (17) и диодом 18 (19), включены с возможностью пропускания якорного тока тягового электродвигателя в каждом варианте выполнения электропривода.

Кроме того, на фиг.4 показан тиристор 20, шунтирующий цепь последовательно соединенная коммутирующих элементов 10 и 11, в качестве которых здесь применены диоды.

Работу предлагаемого электропривода рассмотрим на примере работы электропривода, схема которого представлена на фиг.1. В тяговом режиме при движении вперед замкнуты контакторы 9 и 10, а также контакты 12, 14 реверсора. Наличие напряжения на обмотках 5, 6 генератора вызывает появление тока в контуре 5-7-9-1-12-8-6-8-14-4-3-10-2-7-5 и, соответственно, вращающих моментов на валах электродвигателей, работающих в режиме последовательного возбуждения.

Работа электропривода в тяговом режиме при движении назад аналогична вышеописанной, с той лишь разницей, что вместо контактора 10 и контактов 12, 14 реверсора замкнуты контактор 11 и контакты 13, 15 реверсора.

При движении транспортного средства вперед в режиме электрического торможения контактор 9 разомкнут, замкнуты контактор 10 и контакты 13, 15 реверсора. Ток возбуждения электродвигателей в этом режиме протекает по контуру 6-8-15-10-3-4-13-8-6 и пропорционален напряжению на выходе выпрямителя 8, которое регулируется посредством изменения тока возбуждения генератора. Направление тока в обмотках 3, 4 при этом противоположно его направлению в тяговом режиме. Поэтому электродвигатели работают в тормозном режиме, причем с независимым возбуждением. Токи якорных обмоток 1, 2 при этом одинаковы, а их тормозные моменты определяются током возбуждения и токами якорей, пропорциональными их суммарной ЭДС.

В диапазоне низких скоростей, где тормозные возможности электропривода ограничены предельно допустимым значением тока обмоток 3, 4 возбуждения электродвигаталей, включение контактора 11 приводит к уменьшению вдвое сопротивления контура, по которому замыкается тормозной ток, и, соответственно, к возможности увеличения токов якорных обмоток 1, 2 электродвигателей. Это позволяет существенно расширить диапазон регулирования тормозных моментов электродвигателей.

Работa электропривода в тормозном режиме при движении назад аналогична его работе в тормозном режиме при движении вперед с замкнутым контактором 11, с той лишь разницей, что в этом режиме вместо контактора 10 и контактов 13, 15 реверсора замыкаются контактор 11 и контакты 12, 14 реверсора.

Работа тягового электропривода, схема которого представлена на фиг.2, отличается от работы вышеописанного электропривода спецификой, определяемой, во-первых, наличием в нем трех управляемых выпрямителей, выполняющих функции изображенных на фиг.1 выпрямителей 7, 8 и контактов 12, 13, 14, 15 реверсора, во-вторых, односторонней проводимостью тиристора 11 и диода 10, выполняющих функции изображенных на фиг.1 контакторов 11 и 10.

В тяговом режиме независимо от направления движения на каждый из тиристоров управляемого выпрямителя 7 подаются управляющие сигналы с нулевым углом управления, синхронизированные с напряжением подключенной к этому тиристор обмотки 5 генератора. Кроме того, при движении вперед управляющие сигналы с такими же сигналами управления подаются на тиристоры анодной 13 и катодной 15 групп, при движении назад на тиристоры анодной 12 и катодной 14 групп. При указанном управлении тиристорами работа рассматриваемого электропривода аналогична работе вышеописанного за исключением того, что при движении вперед регулировочные возможности рассматриваемого электропривода могут быть расширены за счет плавного ослабления магнитного потока возбуждения электродвигателей. Оно осуществляется посредством шунтирования участка цепи, содержащего тиристоры катодной группы 14, обмотки 3, 4 возбуждения электродвигаталей и диод 10, тиристорами катодной группы 15. При этом угол управления тиристоров катодной группы 15 регулируется в функции разности между сигналом, пропорциональным значением тока якорных обмоток 1, 2, и сигналом уставки.

При движении вперед в режиме электрического торможения управляющие сигналы подаются на тиристоры анодной 13 и катодной 15 групп. При высоких скоростях значения токов якорных обмоток 1, 2 выше значений токов обмоток 3, 4 возбуждения электродвигаталей. Поэтому диод 10 открыт, по нему протекает разность между током якорных обмоток 1, 2 и током обмоток 3, 4 возбуждения электродвигателей. При этом электродвигатели работают в режиме независимого возбуждения. С уменьшением скорости указанная разность токов уменьшается и при определенной скорости становится равной нулю, диод 10 запирается, электродвигатели переходят в режим последовательного возбуждения. С уменьшением скорости ЭДС якорных обмоток 1, 2 электродвигателей уменьшаются, поэтому поддержание заданного значения тормозного тока обеспечивается за счет увеличения напряжения якорных обмоток 6 генератора и соответствующего увеличения потребляемой от него мощности. Уменьшению мощности, потребляемой от генератора при движении в режиме торможения на низких скоростях, способствует отпирание (автоматически или по команде водителя) тиристора 11. Работа электропривода с открытым тиристором 11 аналогична работе электропривода, представленного на фиг.2, с включенным контактором 11.

При движении назад в режиме электрического торможения управляющие сигналы подаются на тиристоры анодной 12 и катодной 14 групп. Работа тягового электропривода в этом режиме аналогична работе в рассмотренном выше режиме торможения при движении вперед с открытым тиристором 11.

Работа электропривода, схема которого представлена на фиг.3, в тяговом и тормозном режимах аналогична работе электропривода, представленного на фиг. 1, за исключением того, что в тормозном режиме якорь каждого электродвигателя подключается через соответствующий диод к соответствующему тормозному резистору, вследствие чего ток якоря каждого электродвигателя пропорционален ЭДС, наводимой в этом якоре.

Работа электропривода, схема которого представлена на фиг.4, в тяговом и тормозном режимах аналогична работе электропривода, схема которого представлена на фиг.2, за исключением того, что в тормозном режиме ток возбуждения электродвигателей при движении вперед (назад) замыкается по контуру 6-8-15-20-11-3-4-13-8-6 (6-8-14-4-3-10-20-12-8-6). Поэтому в рассматриваемом варианте электропривода режим торможения осуществляется только при независимом возбуждении электродвигаталей. Токи якорных обмоток 1, 2 электродвигателей при этом протекают так же, как и в электроприводе, схема которого представлена на фиг.3.

Следует отметить, что в рассматриваемом электроприводе сборка силовой схемы при переходе из тормозного режима в тяговый осуществляется, как и в прототипе, при остаточных ЭДС якорей электродвигателей, соответствующих их генераторному режиму. Однако в отличие от прототипа, эти ЭДС вызывают не токи короткого замыкания в якорях электродвигаталей, а ток в последовательной цепи якорных обмоток 1, 2 и обмоток 3, 4 возбуждения, который размагничивает магнитную систему электродвигателей и уменьшает тем самым первоначальный бросок тока. Это выгодно отличает предлагаемый электропривод от прототипа.

Таким образом, в предлагаемом тяговом электроприводе обеспечивается реверсирование тока в обмотках возбуждения электродвигателей для изменения направления движения транспортного средства и перехода из тягового режима в тормозной. В зависимости от конкретных условий предлагаемый электропривод может быть выполнен на основе как контактных, так и безконтактных коммутирующих элементов.

Использование: в транспортных средствах, большегрузных карьерных самосвалах. Сущность изобретения: в электроприводе с двумя тяговыми электродвигателями якорные обмотки и обмотки возбуждения последних соединены коммутирующими элементами в одну последовательную цепь с выпрямителями, питаемыми от двух якорных обмоток генератора переменного тока. Наличие двух цепей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных тормозного резистора и диода, подключенных к участкам ранее указанной последовательной цепи, обеспечивает возможность электрического торможения. Электропривод может быть реализован как на контактных, так и на бесконтактных коммутирующих элементах. 6 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. АВТОНОМНЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий тяговую электрическую цепь с последовательно соединенными якорной обмоткой первого тягового электродвигателя, первым силовым коммутирующим элементом, первым мостовым выпрямителем, якорной обмоткой второго тягового электродвигателя и вторым силовым коммутирующим элементом, синхронный генератор, первая группа якорных обмоток которого подключена к входу первого мостового выпрямителя, две тормозные электрические цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных резистора и диода и включена с возможностью пропускания якорного тока тягового электродвигателя в режиме торможения, реверсор, состоящий из соединенных последовательно с чередованием двух замыкающих и двух размыкающих коммутирующих элементов и подключенный центральным выводом к одному из свободных выводов последовательно соединенных обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, второй мостовой выпрямитель, вход которого подключен к второй группе якорных обмоток синхронного генератора, отличающийся тем, что в него введен третий силовой коммутирующий элемент, включенный между свободными выводами упомянутой тяговой цепи, при этом общий вывод второго и третьего силовых коммутирующих элементов соединен с другим свободным выводом обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, реверсор промежуточными выводами подключен к выходу второго мостового выпрямителя, а крайними выводами - к выводам якорных обмоток тяговых электродвигателей с внешней стороны тяговой электрической цепи. 2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что вентильные элементы мостовых выпрямителей выполнены диодными, а силовые коммутирующие элементы и коммутирующие элементы реверсора - контактными. 3. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что вентильные элементы первого мостового выпрямителя и коммутирующие элементы реверсора выполнены в виде тиристорных групп с количеством тиристоров в каждой группе, равным числу фаз синхронного генератора, причем тиристоры первой и второй, третьей и четвертой групп реверсора соединены между собой соответственно одними и другими одноименными выводами, одна из тиристорных групп первого мостового выпрямителя является одновременно первым силовым коммутирующим элементом, а совокупность нечетных или четных групп тиристоров реверсора - вторым мостовым выпрямителем. 4. Электропривод по п.2 или 3, отличающийся тем, что одна тормозная цепь включена между выводами якорных обмоток тяговых электродвигателей с внутренней стороны тяговой электрической цепи, а другая тормозная цепь - параллельно третьему силовому коммутирующему элементу. 5. Электропривод по п.2 или 3, отличающийся тем, что каждая из тормозных электрических цепей включена параллельно якорной обмотке соответствующего тягового электродвигателя. 6. Электропривод по п.4, отличающийся тем, что второй и третий силовые коммутирующие элементы выполнены в виде соответственно диода и тиристора. 7. Электропривод по п.5, отличающийся тем, что второй и третий силовые коммутирующие элементы выполнены в виде диодов и зашунтированы общим тиристором.