ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2004 года по МПК B60L11/08 

Предлагаемое изобретение относится к электрооборудованию тягового транспортного электроподвижного состава, т. е. таких транспортных средств, как тепловозы, дизель-поезда, автомобили, тягачи и т.д., у которых передачи мощности с вала транспортного двигателя (ТД) к осям движущих колес выполнены на переменном токе с непосредственным подключением асинхронных тяговых двигателей (АТД) к синхронному тяговому генератору (СТГ) без промежуточных преобразователей и устройств. Известны электрические передачи мощности переменного тока (ЭПМ ПТ), не содержащие промежуточных преобразователей между синхронным тяговым генератором и асинхронными тяговыми двигателями, скорость которых изменяется ступенями при изменении числа пар полюсов 2р электрических машин [1, 2]. Эти электрические передачи мощности переменного тока имеют сложную многоприводную систему, что усложняет передачу, снижает ее надежность и ухудшает тяговые свойства тягового транспортного средства. Известна также электрическая передача мощности переменного тока, содержащая синхронный тяговый генератор с несколькими m-фазными обмотками статора, приводимый во вращение транспортным двигателем, и асинхронные тяговые двигатели, подключенные к синхронному тяговому генератору [3]. Скорость вращения валов асинхронных тяговых двигателей ω_ATД изменяется путем изменения скорости вращения вала транспортного двигателя ω_ТД и изменения числа пар полюсов синхронного тягового генератора. Известна электрическая передача мощности, содержащая синхронный тяговый генератор с несколькими m-фазными обмотками статора, приводимый во вращение от транспортного двигателя, и асинхронные тяговые двигатели, подключенные к синхронному тяговому генератору, у которого соседние обмотки статора взаимно смещены по окружности его расточки [4]. Недостатком указанных электрических передач мощности является то, что скоростной диапазон не может быть широким, т.к. число переключений полюсов не превосходит 1-2 из-за чрезмерного возрастания веса коммутационной аппаратуры и самих электрических машин. Переключение полюсов электрических машин связано с коммутацией силовой цепи статора синхронного тягового генератора, передающей мощность Р от синхронного тягового генератора к асинхронным тяговым двигателям, что приводит к исчезновению или значительному уменьшению силы тяги тягового транспортного средства в процессе переключения, к броскам тока и вращающего момента в начале и конце такого переключения и к ухудшению тяговых свойств тягового транспортного средства, снижению надежности и экономичности электрической передачи мощности.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение плавного изменения касательной силы тяги F_к, расширения скоростного диапазона электрической передачи мощности, повышение ее надежности, экономичности и улучшение тяговых свойств тягового транспортного средства. Эта цель достигается тем, что в электрической передаче мощности применен асинхронный тяговый генератор, приводимый во вращение от транспортного двигателя. К зажимам АТГ непосредственно подключены асинхронные тяговые двигатели, а в цепь его фазового ротора включен преобразователь частоты (ПЧ), подключенный к синхронному возбудителю (СВ), приводимому во вращение от транспортного двигателя.

Предлагаемая электрическая передача мощности переменного тока содержит следующие элементы (фиг.1): асинхронный тяговый генератор 1, обмотка возбуждения 2 которого подключена к преобразователю частоты 3, вал асинхронного тягового генератора соединен с валом транспортного двигателя 4 и с валом синхронного возбудителя 5, обмотка возбуждения которого подключена к регулятору напряжения (РН) 6 асинхронного тягового генератора, а статорная обмотка асинхронного тягового генератора подключена к преобразователю частоты, соединенному с регулятором частоты f_r (РЧ) 7 напряжения асинхронного тягового генератора. К статорной обмотке асинхронного тягового генератора подключены непосредственно асинхронные тяговые двигатели 8, валы которых соединены с осями 9 движущих колес тягового транспортного средства. Регулятор напряжения и регулятор частоты подключены к контроллеру управления 10 транспортным средством. Предлагаемая электрическая передача работает следующим образом. Статор асинхронного тягового генератора имеет обычную трехфазную обмотку переменного тока. Обмотка возбуждения, расположенная на роторе, должна иметь одинаковое с обмоткой статора число пар полюсов. Целесообразно обмотку ротора выполнять распределенной с целью получения синусоидального магнитного поля в воздушном зазоре генератора. Особенностью асинхронного тягового генератора является возбуждение его переменным током изменяемой частоты ω_в и переменная частота вращения ротора ω_p. Так как магнитное поле, создаваемое трехфазным током возбуждения в обмотке ротора, вращается относительно ротора с частотой ω_в, то частота вращения магнитного поля относительно обмоток статора
ω = ω_p±ω_в. (1)
В результате частоту вращения магнитного поля ω можно изменять путем изменения ω_p и ω_в, которую можно менять по значению и направлению с помощью преобразователя частоты. Обмотка якоря (статорная) асинхронного тягового генератора является выходной. Независимо от ω_p/ω она работает в генераторном режиме. Обмотка возбуждения (роторная) асинхронного тягового генератора является для него входной. Режим ее работы зависит от скольжения
S = 1-ω_p/ω. (2)
При отрицательном S (в области ω_p>ω, S<0), т.е. в случае отставания магнитного поля от ротора, роторная обмотка возбуждается током обратного следования фаз. При этом обмотка возбуждения асинхронного тягового генератора генерирует активную мощность Р. Через преобразователь частоты эта мощность скольжения передается в синхронный возбудитель, который работает в двигательном режиме, т.е. активные мощности Р, генерируемые в цепи обмоток статора и ротора асинхронного тягового генератора, создаются в результате преобразования механической мощности N транспортного двигателя. При трогании тягового транспортного средства необходимо, чтобы разность ω-ω_в была такой, чтобы обеспечивалось f_r = 1-2 Гц. Разгон тягового транспортного средства осуществляется путем уменьшения ω_в до нуля с помощью преобразователя частоты. При ω_в = 0 (S = 0) по обмотке возбуждения асинхронного тягового генератора протекает постоянный ток (синхронный режим работы асинхронного тягового генератора при S = 0). При этом мощность Р, подведенная к обмотке возбуждения асинхронного тягового генератора, равна электрическим потерям в этой обмотке, и электромагнитная мощность асинхронного тягового генератора Р_эм создается только в результате преобразования мощности N транспортного двигателя. При ω_в = 0 (S = 0)f_r определяется только ω_p. Дальнейший разгон тягового транспортного средства осуществляется при ω_в = 0 путем увеличения ω_p от минимума до максимума (ω_pном). При ω_pmax дальнейшее увеличение скорости тягового транспортного средства осуществляется путем увеличения ω_в, но уже обратного направления, причем ω = ω_p+ω_в. При этом Р_АТД, или Р_эм, больше Р обмотки возбуждения (т.е. больше мощности скольжения). Небаланс между ними покрывается за счет мощности N. Это означает, что мощность Р, передаваемая в цепь статорной обмотки асинхронного тягового генератора электромагнитным путем, поступает в асинхронный тяговый генератор со стороны вала и со стороны обмотки возбуждения 2. Источником реактивной мощности Q_p системы (АТГ, АТД, СВ) является синхронный возбудитель, а потребителями ее - асинхронный тяговый генератор и асинхронные тяговые двигатели. Баланс Q_p при работе асинхронного тягового генератора и асинхронного тягового двигателя
Q_СВ=(Q_АТД+Q_ПЧ)=Q_АТГ. (3)
При всех ω асинхронный тяговый генератор обладает фильтрующими свойствами, что обеспечивает хорошую синусоидальность напряжения U_АТГ, повышение КПД, надежности и уменьшение Т асинхронных тяговых двигателей. Регулирование U_АТГ в зависимости от I, ω_p, f и n_АТД осуществляется с помощью регулятора напряжения. В предлагаемой электрической передаче мощности тягового транспортного средства должен быть применен преобразователь частоты с непосредственной связью (без звена постоянного тока), который называется преобразователем "низкой" частоты. Для возбуждения асинхронного тягового генератора, который может работать при очень низкой ω_в относительно ротора, целесообразно применение преобразователя частоты именно "низкой" частоты, обеспечивающего получение синусоидального тока возбуждения при ползучих "низких" частотах. Если асинхронный тяговый генератор и синхронный возбудитель имеют одинаковое число пар полюсов, то применение в качестве преобразователя частоты тока возбуждения асинхронного тягового генератора преобразователей с принудительной коммутацией позволит осуществить наиболее простую схему управления преобразователя частоты. Характерным важным свойством таких преобразователей частоты является изменение знака Q нагрузки при частоте коммутации вентилей (ωТ) большей, чем частота преобразуемого напряжения синхронного возбудителя (ω_CB). Из принципа работы предлагаемой электрической передачи мощности тягового транспортного средства следует, что преобразователь частоты для асинхронного тягового генератора должен быть многофазным; при проходе через синхронную частоту ω_в = 0 (S = 0) следование напряжения по фазам на выходе преобразователя частоты должно менять свой знак, благодаря чему магнитное поле ротора изменяет свое направление вращения относительно ротора; при синхронной частоте ω_в = 0 (S = 0) преобразователь частоты должен в зависимости от фазового положения ротора соответствующим образом распределять постоянный ток возбуждения между фазами обмотки ротора асинхронного тягового генератора. Преобразователь частоты должен быть реверсивным для активной и реактивной мощности; высокий КПД должен обеспечиваться ключевым режимом работы переключающих полупроводниковых приборов. Преобразователь частоты выполняется не на полную мощность асинхронных тяговых двигателей, а лишь на мощность возбудителя асинхронного тягового генератора. В режиме короткого замыкания через преобразователь частоты протекает не весь ток короткого замыкания, что создает ему более легкие условия работы по сравнению с электрической передачей мощности, в которой через преобразователь частоты проходит полная мощность асинхронных тяговых двигателей. Вес и габариты элементов электрической передачи мощности тягового транспортного средства в значительной степени зависят от мощности возбуждения асинхронного тягового генератора
, (4)
определяющей мощность синхронного возбудителя и преобразователя частоты (фиг.2). Принимая с целью упрощения анализа, что потери в обмотке возбуждения асинхронного тягового генератора отсутствуют, т.е. мощность цепи возбуждения равна мощности скольжения
P_в = SP_эм (5)
и учитывая соотношение
Q_в = |S|Q, (6)
можно выражение для полной мощности цепи возбуждения представить в виде
, (7)
где Q - реактивная мощность асинхронного тягового генератора и асинхронного тягового двигателя.

Из (7) следует, что мощность цепи возбуждения тем больше, чем больше максимальное скольжение по абсолютному значению. Отсюда вытекает, что по условию уменьшения весовых показателей электрической передачи мощности предпочтительной из рабочих областей скольжения является та, при которой максимальная мощность цепи возбуждения имеет наименьшее относительное значение. Мощность возбуждения, вес и габариты основных элементов электрической передачи мощности (фиг.2) получаются наибольшими при работе асинхронного тягового генератора в области отрицательного скольжения и наименьшими - при работе с S>0 и с S = 0. Во всех случаях рациональная область S выбирается с учетом мощности, диапазонов изменения, n_АТД и скорости, в которых полностью используется свободная мощность транспортного двигателя для тяги.

Таким образом, предлагаемая электрическая передача мощности тягового транспортного средства имеет определенные преимущества перед известными, содержащими синхронный тяговый генератор с несколькими m-фазными обмотками статора и полюсо-переключаемыми асинхронными тяговыми двигателями. Она обеспечивает плавное и непрерывное изменение касательной силы тяги, а также скорости тягового транспортного средства без применения промежуточных преобразователей и устройств переключения между синхронным тяговым генератором и асинхронными тяговыми двигателями. Она обладает большой надежностью и имеет более высокий КПД, чем известные электрические передачи мощности тяговых транспортных средств.

Источники информации
1. Патент Великобритании 1064772, Кл. Н 2 А, 1964.

2. Патент Великобритании 1067070, Кл. Н 2 А, 1974.

3. Рудаков Б.В., Семенов Н.П., Сушков Б.А. Двухчастотный синхронный генератор и многоскоростной асинхронный двигатель для передвижных установок. - Энергетика, 1967, 5.

4. А.с. 691320, М Кл² B 60 L 11/08, 1979, БИ 38.

Изобретение относится к тяговому электрооборудованию транспортного электроподвижного состава. Передача содержит тяговый генератор переменного тока, приводимый во вращение от транспортного двигателя, и асинхронные тяговые двигатели. Тяговый генератор выполнен асинхронным, статорная обмотка которого подключена непосредственно к асинхронным тяговым двигателям, а обмотка фазового ротора подключена к преобразователю частоты. Последний подключен к регулятору частоты асинхронного тягового генератора, соединенному с контроллером управления, и к статорной обмотке синхронного возбудителя, приводимого во вращение от транспортного двигателя, обмотка возбуждения возбудителя подключена к регулятору напряжения асинхронного тягового генератора, соединенному с контроллером управления. Данная передача позволяет получить плавное и непрерывное изменение касательной силы тяги, а также скорости транспортного средства без применения промежуточных преобразователей и устройств переключения между тяговым генератором и тяговыми двигателями. Изобретение обеспечивает расширение диапазона скорости, а также повышение тяговых свойств, надежности и экономичности. 2 ил.

Электрическая передача мощности тягового транспортного средства, содержащая тяговый генератор переменного тока, приводимый во вращение от транспортного двигателя, и асинхронные тяговые двигатели, валы которых соединены с осями движущих колес тягового транспортного средства, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения плавного изменения касательной силы тяги, расширения диапазона скорости, повышения тяговых свойств, надежности и экономичности, тяговый генератор выполнен асинхронным, статорная обмотка которого подключена непосредственно к асинхронным тяговым двигателям, а обмотка фазового ротора подключена к преобразователю частоты, подключенному к регулятору частоты асинхронного тягового генератора, соединенному с контроллером управления тяговым транспортным средством, и к статорной обмотке синхронного возбудителя, приводимого во вращение от транспортного двигателя, обмотка возбуждения которого подключена к регулятору напряжения асинхронного тягового генератора, соединенному с контроллером управления тяговым транспортным средством.