ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1999 года по МПК B60L9/04 

Изобретение относится к транспорту, в частности к электроприводам транспортных средств, питающихся от сети постоянного тока, и может быть использовано в машиностроении в электроприводах электрических грузоподъемных машин.

Известны регулируемые электроприводы постоянного тока, питающиеся от контактной электрической сети постоянного тока, с рекуперацией энергии в электрическую питающую сеть при электродинамическом торможении, электрические схемы которых содержат тяговые двигатели постоянного тока, полупроводниковые регуляторы напряжения, выпрямительные диоды и индуктивные дроссели (см. , например, авторское свидетельство СССР N 373188, кл. B 60 B 7/10, оп. 12.03.73, бюл. N И, авторское свидетельство СССР N 861131, кл. B 601.7/22, оп. 07.01.81, бюл. N 33, авторское свидетельство СССР N 1421560, кл. B 60 Б 9/04, оп. 07.09.88, бюлт. N 33)/
Эти устройства не обеспечивают достаточно эффективное повышение коэффициента полезного действия передачи рекуперативной энергии в питающую электрическую сеть, так как ток тягового двигателя в режиме электродинамического торможения передается в питающую сеть импульсами, а не непрерывно.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является электрическая схема управления троллейбусом, содержащая тяговый двигатель постоянного тока с последовательно подключенным к нему тиристорным импульсно-фазовым регулятором постоянного напряжения, индуктивные дроссели, выпрямительные диоды и переключающие контакторы.

Рекуперация энергии в питающую сеть при электродинамическом торможении осуществляется с помощью полупроводникового тиристорного ключа, периодически с определенной частотой закорачивающего цепь двигателя, работающего в режиме генератора, с последовательно включенным индуктивным дросселем, а также выпрямительного диода, включенного в цепь между двигателем и питающей контактной сетью, через который ток двигателя в периоды выключенного состояния тиристорного ключа идет в питающую сеть (см. книгу Л.Я. Коган и др. Устройство и эксплуатация троллейбуса: Учебное пособие для профессионально-технических учебных заведений. - М.: Высш. Школа, 1978, с. 336).

Указанный тяговый электропривод постоянного тока обладает тем недостатком, что ток двигателя в режиме рекуперативного торможения передается в питающую сеть только в периоды выключенного состояния тиристорного ключа, тогда как через обмотки двигателя этот ток протекает непрерывно.

Полезная мощность, передаваемая в питающую сеть при циклической работе электронного ключа, определяется законом Ленца-Джоуля
P_пол = (λI)²R_c, (1)
а мощность потерь, затраченная на нагрев обмоток двигателя за время того же цикла
ΔP = I²R_r, (2)
где R_c, R_r - сопротивления питающей сети и обмоток двигателя, работающего в режиме генератора;
I - ток двигателя,
λ - коэффициент заполнения диаграммы изменения тока, идущего в систему при импульсном регулировании.

Сопротивление питающей сети определяется по формуле
R_c = U² _н/P_H,
где U_H - номинально напряжение нагрузки питающей сети,
P_H - номинальная мощность нагрузки питающей сети.

Коэффициент полезного действия передачи рекуперативной энергии от двигателя в питающую сеть

Подставляя (1) и (2) в (4), можно получить

Учитывая физическую основу процесса накопления и отдачи энергии индуктивным сопротивлением вышеописанной схемы, можно доказать, что наибольшая отдача энергии в сеть этой схемой будет иметь место при значениях λ, близких или равных 0,5. Для такого режима

На практике сопротивление нагрузки сети R_c всегда меньше сопротивления двигателя, поэтому в соответствии с (6) практически всегда η < 0,2.

В основу изобретения поставлена задача создания электропривода постоянного тока, в котором за счет изменения схемы управления тяговым двигателем достигается такой режим, при котором ток тягового двигателя в режиме рекуперации передается не импульсами, действующее значение постоянной составляющей которых меньше действующего значения тока тягового двигателя, а непрерывно, при этом действующее значение постоянного тока, передаваемого в питающую сеть, может устанавливаться не меньше тока тягового двигателя, и при этом система, включающая тяговый двигатель, инвертор, трансформатор и выпрямитель, обеспечивает непрерывное необходимое превышение действующего значения ее эдс над напряжением питающей сети, что приводит к повышению кпд передачи рекуперативной энергии.

Поставленная задача решается тем, что в электроприводе постоянного тока, содержащем тяговый двигатель постоянного тока с последовательно подключенным к нему регулятором напряжения, последний представляет собой электрическую цепь из двух инверторов, соединенных между собой выводами переменного тока через трансформатор с регулируемым коэффициентом трансформации, выводы постоянного тока одного из инверторов подключены к питающей сети, а второго инвертора - к тяговому двигателю постоянного тока, при этом инверторы выполнены с возможностью работы в режиме выпрямителей.

Для тяговых двигателей с последовательным возбуждением обмотка возбуждения подключается через выпрямитель тока (например, контакторный либо вентильный), который при изменении направления тока в якоре двигателя обеспечивает неизменность направления тока в обмотке возбуждения двигателя.

Регулирование постоянного тока или мощности тягового двигателя 5 в режиме пуска и разгона, в также потока рекуперативной энергии в питающую сеть в режиме электродинамического торможения производится путем изменения коэффициента трансформации трансформатора.

На чертеже изображена электрическая схема электропривода постоянного тока.

Электропривод постоянного тока содержит инвертор 1, подключенный с помощью токоприемников 2 и 3 к питающей сети постоянного тока (на схеме не показана), трансформатор 4, первичная обмотка которого подключена к выводам переменного тока инвертора 1, а вторичная обмотка - к выводам переменного тока инвертора 5, выводы постоянного тока которого подключены к тяговому двигателю 6, последовательная обмотка возбуждения которого включена через выпрямительный мост 7.

Инверторы 1 и 5 выполнены с возможностью работы в режиме выпрямителей.

Электропривод постоянного тока работает следующим образом.

Пуск и разгон. В рассматриваемом случае инвертор 1 работает в режиме инвертора, а инвертор 5 - в режиме выпрямителя. Напряжение постоянного тока на выходе инвертора 5, подключенного к тяговому двигателю, больше электродвижущей силы его якоря. Направление тока в якоре положительное. Поток электрической энергии идет в направлении от питающей сети постоянного тока (на схеме не показана) через токоприемники 2 и 3, через инвертор 1, трансформатор 2, инвертор 5, работающий в режиме выпрямителя, к тяговому двигателю 6. Величина тока якоря регулируется коэффициентом трансформации.

Электродинамическое рекуперативное торможение. С помощью коэффициента трансформации напряжение постоянного тока на выходе инвертора 5, работающего в режиме выпрямителя, устанавливается меньше электродвижущей силы якоря двигателя 6. Направление тока в якоре тягового двигателя меняется на противоположное. Двигатель переходит в режим электродинамического торможения. Инвертор 5 переходит в режим работы инвертора, а инвертор 1 - в режим работы выпрямителя.

Электродвижущая сила системы, включающей в себя тяговый двигатель 6, инвертор 5, трансформатор 4, инвертор 1, работающий в режиме выпрямителя, превышает на необходимую заданную величину напряжение питающей сети. Поток рекуперативной энергии идет в направлении от двигателя 6 через инвертор 5, через трансформатор 4, инвертор 1, работающий в режиме выпрямителя, через токоприемники 2 и 3 в питающую электрическую сеть постоянного тока. Величина тока якоря регулируется коэффициентом трансформации.

Описанные выше режимы могут быть дополнены следующим аналитическим анализом.

Для схемы управления тяговым двигателем постоянного тока, далее двигатель (см. чертеж), ток двигателя с достаточной для анализа точностью определяется выражением

где I - ток якоря двигателя;
U_c - напряжение контактной сети;
K_т - коэффициент трансформации, может быть как меньше, так и больше единицы;
E_д - эдс якоря двигателя;
R_д - сопротивление электрической цепи двигателя, включающее в себя сопротивление инверторов, трансформатора и обмоток двигателя.

Изменяя коэффициент трансформации в необходимых пределах в соответствии с выражением (1) можно регулировать значение тока двигателя как по величине, так и по знаку. При этом если E_д < U_с = K_т, то направление тока в якоре двигателя будет иметь положительное значение, а поток электрической энергии будет направлен от питающей сети к двигателю, что будет соответствовать режиму пуска и разгона.

При соотношении E_д > U_сK_т, направление тока в якоре двигателя будет иметь противоположное (отрицательное) значение, а поток электрической энергии будет направлен от двигателя к питающей сети (режим рекуперативного торможения).

Если E_д = U_сK_т, ток в цепи якоря двигателя будет отсутствовать, что будет соответствовать режиму свободного выбега.

Из выражения (7) можно получить выражение для коэффициента трансформации

Из анализа выражения (8) следует, что для любой скорости вращения двигателя, а следовательно, E_д, для любого режима, т.е. пуска, разгона, выбега или торможения, с помощью регулирования коэффициента трансформации можно устанавливать заданное значение тока тягового двигателя постоянного тока, т. е. регулировать режимы пуска, разгона, выбега и рекуперативного торможения.

Коэффициенты полезного действия полупроводниковых инверторов и трансформаторов очень высокие. Поэтому потери на передачу энергии от источника постоянного тока к двигателю и наоборот незначительны и составляют единицы процентов. Ток, вырабатываемый двигателем в режиме рекуперативного торможения, передается непрерывно, а не в отдельные периоды циклов работы тиристорного ключа, как в прототипе, что повышает коэффициент полезного действия предложенной системы передачи электроэнергии.

Изобретение относится к транспортным средствам, питающимся от сети постоянного тока. Электропривод содержит тяговый двигатель постоянного тока с последовательно подключенным к нему регулятором напряжения, который представляет собой электрическую цепь из двух инверторов, соединенных между собой выводами переменного тока через трансформатор с регулируемым коэффициентом трансформации. Инверторы выполнены с возможностью работы в режиме выпрямителей. В данном электроприводе ток двигателя в режиме электродинамического рекуперативного торможения передается не импульсами, а непрерывно. При этом обеспечивается непрерывное необходимое превышение действующего значения электродвижущей силы над напряжением питающей сети, что предопределяет повышение КПД передачи рекуперативной энергии. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Электропривод постоянного тока, содержащий тяговый двигатель постоянного тока с последовательно подключенным к нему регулятором напряжения, отличающийся тем, что регулятор напряжения представляет собой электрическую цепь из двух инверторов, соединенных между собой выводами переменного тока через трансформатор с регулируемым коэффициентом трансформации, выводы постоянного тока одного из инверторов подключены к питающей сети, а второго инвертора - к тяговому двигателю постоянного тока, при этом инверторы выполнены с возможностью работы в режиме выпрямителей. 2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что в схеме инверторов включены выпрямители.