ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2003 года по МПК H02P7/74 B60L11/08 

Известны электрические передачи мощности тяговых транспортных средств постоянного и переменного тока. Электрические передачи мощности переменно-постоянного и переменно-постоянно-переменного тока имеют определенные преимущества перед электрическими передачами мощности постоянного тока. Известные электрические передачи переменно-постоянно-переменного тока содержат тяговый синхронный генератор с блоком возбуждения, тяговую выпрямительную остановку, тяговый преобразователь частоты и асинхронные тяговые двигатели [1-12] . Такие электрические передачи мощности разработаны на основе систем электрического привода осей движущих колес электрического тягового подвижного состава, на котором нет тягового синхронного генератора, а электрическая энергия подается от контактной сети. С учетом наличия на тяговом транспортном средстве тягового синхронного генератора могут быть разработаны электрические передачи мощности с применением асинхронных тяговых двигателей без использования преобразователей частоты, которые имеют определенные габаритные размеры, массу, стоимость, надежность.

Предлагаемая электрическая передача мощности тягового транспортного средства содержит следующие элементы (см. принципиальную блок-схему на фиг.1): тяговый синхронный генератор 1, обмотка возбуждения которого подключена к блоку возбуждения 2, вал его соединен с валом теплового двигателя и с валом электродвигателя постоянного тока 4, обмотка возбуждения которого подключена ко второму блоку возбуждения 5; статорная обмотка тягового синхронного генератора подключена к статорным обмоткам асинхронных тяговых двигателей 6 и 7, роторные обмотки которых соединены последовательно и подключены к электродвигателю постоянного тока 4 посредством выпрямителя 8, а валы соединены между собой и с осями 9 движущих колес тягового транспортного средства; статор одного из асинхронных тяговых двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота 10, а также блок управления 11 электрической передачей мощности тягового транспортного средства, подключенный к тепловому двигателю 3, блокам возбуждения 2 и 5 и к механизму поворота 10.

Предлагаемая электрическая передача мощности тягового транспортного средства работает следующим образом. При максимальных окружных скоростях вращения ω_∂max валов асинхронных тяговых двигателей и оси движущих колес 9 ω₀ поворотный статор одного из асинхронных тяговых двигателей должен быть поставлен в такое положение, чтобы ЭДС, наводимые в обмотках вращающихся роторов асинхронных тяговых двигателей, совпадали по фазе, т.е. чтобы угол рассогласования между положениями статоров асинхронных тяговых двигателей 6 и 7 β_max был равен 180^o электрических (это соответствует ±180^o/р градусов геометрических, где р - число пар полюсов асинхронного тягового двигателя). При этом угле сдвига статоров β_max оба асинхронных тяговых двигателя работают как один асинхронный тяговый двигатель двойной мощности. Электродвигатель постоянного тока может иметь такой ток возбуждения I_в, какой необходим для работы электрической передачи мощности тягового транспортного средства в данном режиме. Увеличение тока возбуждения I_в приводит к уменьшению ω_∂ асинхронных тяговых двигателей и наоборот, уменьшение тока возбуждения I_в приводит к увеличению ω_∂.

В рассматриваемом случае (в диапазоне больших ω_∂) изменение ω_∂ целесообразно производить путем изменения тока возбуждения I_в электродвигателя постоянного тока до значения скольжения S=0,25, при этом ток возбуждения I_в должен быть максимальным. Последующее снижение ω_∂ (скорости тягового транспортного средства) достигается поворотом статора асинхронного тягового двигателя 7. При повороте статора в сторону уменьшения β результирующая ЭДС роторных обмоток асинхронных тяговых двигателей 6 и 7, равная геометрической сумме ЭДС обмоток роторов, при том же S начнет уменьшаться, выпрямленный ток I_д в цепи электродвигателя постоянного тока 4 снизится, и момент, развиваемый асинхронными тяговыми двигателями, уменьшится. Частота ω_∂ будет снижаться до значения, при котором вращающий момент обоих асинхронных тяговых двигателей станет равным моменту сопротивления, создаваемому движущими колесами тягового транспортного средства. При отсутствии угла сдвига между статорными обмотками асинхронных тяговых двигателей (т.е. при β=0^o) ЭДС обмоток их роторов равны и направлены встречно, результирующая ЭДС равна нулю и частота ω_∂ = 0. Увеличение ω_∂ достигается поворотом статора асинхронного тягового двигателя 7 (увеличением β) (см. механические характеристики асинхронных тяговых двигателей 6 и 7 при разных β (от минимального - линия 1 до 180^o - линия 5) и разных токах роторов I_д (линии 6-9)), а затем уменьшением I_в электродвигателя постоянного тока 4.

Зависимости I_д и отношения фазного напряжения Е_2кф (на разомкнутых контактных кольцах) роторов асинхронных тяговых двигателей к приведенному к цепи ротора сопротивлению фазы асинхронного тягового двигателя x_д при S=1,0 от относительной даны на фиг.2.

Предлагаемая электрическая передача мощности тягового транспортного средства может быть применена при изменении передаточного отношения передачи 10:1. В связи с использованием энергии скольжения роторов асинхронных тяговых двигателей (отставания их от вращающихся магнитных полей статоров) в электродвигателе постоянного тока 4 электрическая передача мощности весьма экономична, так как потери мощности в ней невелики и равны сумме потерь в тяговом синхронном генераторе, асинхронных тяговых двигателях 6 и 7 и электродвигателе постоянного тока 4. Использование в роторной цепи асинхронного тягового двигателя неуправляемого выпрямителя 8 повышает надежность электрической передачи мощности по сравнению с электрической передачей мощности переменно-постоянно-переменного тока. Разгон тягового транспортного средства с предлагаемой электрической передачей мощности осуществляется весьма плавно: на первой стадии - поворотом статора асинхронного тягового двигателя 7, а затем - уменьшением I_в электродвигателя постоянного тока 4. В связи с тем, что напряжение на выпрямителе 8 и электродвигателе постоянного тока 4 (независимо от диапазона регулирования скорости тягового транспортного средства) не превышает 25% приведенного напряжения на кольцах роторов (при их неподвижном состоянии S=1,0), установленная мощность не превышает 25% установленной мощности электрической передачи мощности тягового транспортного средства. Необходимость поворота статора одного из асинхронных тяговых двигателей несколько усложняет конструкцию электрической передачи мощности, однако создание таких асинхронных тяговых двигателей не представляет особых трудностей.

В предлагаемой электрической передаче мощности тягового транспортного средства асинхронные тяговые двигатели питаются напряжением от тягового синхронного генератора, которое имеет синусоидальную форму, поэтому КПД и cosϕ (коэффициент мощности) этих асинхронных тяговых двигателей и тягового синхронного генератора больше, чем у асинхронных тяговых двигателей, питаемых напряжением от тяговых преобразователей частоты, которое заметно отличается от синусоидального, особенно в области низких частот. Таким образом, предлагаемая электрическая передача мощности тягового транспортного средства имеет определенные преимущества перед известными электрическими передачами мощности тяговых транспортных средств, содержащими тяговую выпрямительную установку и тяговый преобразователь частоты в силовой цепи (между тяговым синхронным генератором и асинхронными тяговыми двигателями). Она имеет меньшие габаритные размеры, массу и стоимость, высокую надежность, более высокий КПД, меньшие расходы на обслуживание и ремонт.

Источники информации
1. Луков Н.М. Регулирование тепловозных тяговых электрических машин. - М.: ВЗИИТ, 1973.

2. Луков Н.М. Автоматические системы управления и регулирования тепловозов. - М.: МИИТ, 1983.

3. Луков Н.М. и др. Передачи мощности тепловозов. - М.: Транспорт, 1987.

4. Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988.

5. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989.

6. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными тяговыми электродвигателями. - М.: Наука, 1966.

7. Винокуров В. А. , Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1986.

8. Степанов А.Д. и др. Передачи мощности тепловозов. - М.: Машиностроение, 1967.

9. Степанов А. Д. Автоматическое регулирование мощности в тепловозах и газотурбовозах. - М.: Машиностроение, 1964.

10. Камаев А.А. Конструкция, расчет и проектирование локомотивов. - М.: Машиностроение, 1981.

11. A.c. 300048 (СССР). Способ регулирования электрической передачи тепловозов /В.И.Липовка и др., БИ 28, 1972.

12. А.с. 300049 (СССР). Способ регулирования электрической передачи тепловоза /В.И.Липовка и др., БИ 28, 1972.

Электрическая передача мощности тягового транспортного средства содержит тяговый синхронный генератор, приводимый от теплового двигателя, блок возбуждения тягового синхронного генератора, асинхронные тяговые двигатели и блок управления передачей. Статорные обмотки тягового синхронного генератора подключены к статорным обмоткам двух одинаковых асинхронных тяговых двигателей. Роторные обмотки асинхронных тяговых двигателей соединены последовательно и подключены к электродвигателю постоянного тока, вал которого соединен с валом теплового двигателя, а обмотка возбуждения подключена ко второму блоку возбуждения посредством выпрямителя. Валы асинхронных тяговых двигателей соединены между собой и с осями движущих колес тягового транспортного средства. Статор одного из асинхронных тяговых двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, блок управления подключен к тепловому двигателю, блокам возбуждения тягового синхронного генератора и электродвигателя постоянного тока и к механизму поворота статора асинхронного тягового двигателя. Технический результат заключается в уменьшении габаритов, уменьшении массы, снижении стоимости и повышении КПД устройства. 2 ил.

Электрическая передача мощности тягового транспортного средства, содержащая тяговый синхронный генератор, приводимый от теплового двигателя, блок возбуждения тягового синхронного генератора, асинхронные тяговые двигатели и блок управления передачей, отличающаяся тем, что статорные обмотки тягового синхронного генератора подключены к статорным обмоткам двух одинаковых асинхронных тяговых двигателей, роторные обмотки которых соединены последовательно и подключены к электродвигателю постоянного тока, вал которого соединен с валом теплового двигателя, а обмотка возбуждения подключена ко второму блоку возбуждения посредством выпрямителя, а валы асинхронных тяговых двигателей соединены между собой и с осями движущих колес тягового транспортного средства, статор одного из асинхронных тяговых двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, блок управления подключен к тепловому двигателю, блокам возбуждения тягового синхронного генератора и электродвигателя постоянного тока и к механизму поворота статора асинхронного тягового двигателя.