ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2005 года по МПК B60L1/08 

Предлагаемое изобретение относится к электрооборудованию тягового транспортного электроподвижного состава, т.е. таких транспортных средств, как тепловозы, дизель-поезда, автомобили и т.д., у которых передачи мощности с вала теплового двигателя (ТД) к осям движущих колес выполнены на переменном токе с непосредственным подключением асинхронных тяговых двигателей (АТД) к тяговому синхронному генератору без промежуточных преобразователей и устройств. Известны электрические передачи мощности переменного тока, не содержащие промежуточных преобразователей между тяговым синхронным 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 тяговый синхронный генератор с несколькими m-фазными обмотками статора, приводимый во вращение тепловым двигателем, и асинхронные тяговые двигатели, подключенные к тяговому синхронному генератору [3]. Скорость вращения валов асинхронных тяговых двигателей ω_атд изменяется путем изменения скорости вращения вала теплового двигателя ω_атд и изменения числа пар полюсов тягового синхронного генератора. Известна электрическая передача мощности, содержащая тяговый синхронный генератор с несколькими m-фазными обмотками статора, приводимый во вращение от теплового двигателя, и асинхронные тяговые двигатели, подключенные к тяговому синхронному 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 переключении 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 тягового синхронного генератора, передающей мощность Р от тягового синхронного 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.

Предлагаемая электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства содержит следующие элементы (см. принципиальную блок-схему на чертеже): тяговый синхронный генератор 1, обмотка возбуждения которого подключена к блоку возбуждения 2, вал тягового синхронного генератора соединен с валом теплового двигателя 3, асинхронный тяговый электродвигатель с фазным ротором 4, статорные обмотки которого подключены к статорным обмоткам тягового синхронного генератора, а роторная обмотка - к выходу непосредственного (без звена постоянного тока - выпрямителя) преобразователя частоты 5, также подключенного к статорным обмоткам тягового синхронного генератора, блок управления 6 непосредственного преобразователя частоты, подключенный к его входу, вал асинхронного тягового электродвигателя соединен с осью движущих колес 7, а также блок управления 8 тепловым двигателем и электрической передачей мощности, подключенный к тепловому двигателю 3, блоку возбуждения 2 тягового синхронного генератора и блоку управления 6 непосредственного преобразователя частоты.

Электрическая передача мощности переменного тока работает следующим образом. Частота вращения ω_АТД вала асинхронного тягового электродвигателя зависит от частоты напряжения в статорных обмотках и в обмотке его ротора и определяется выражением ω_АТД=2π(f₁±f₂)/p, где f₁ и f₂ - соответственно частота напряжения тягового синхронного генератора и частота напряжения в обмотке ротора асинхронного тягового электродвигателя, р - число пар полюсов асинхронного тягового электродвигателя. Знак “минус” в этом выражении соответствует вращению полей статора и ротора асинхронного тягового электродвигателя в одном направлении, а знак “плюс” - в противоположных направлениях. Изменяя частоту и напряжение в обмотке ротора асинхронного тягового электродвигателя, можно заставить вращаться его вал с частотой вращения ω_АТД как выше, так и ниже синхронной частоты вращения ω₀, т.е. осуществлять двухзонное изменение частоты вращения ω_АТД. В электрической передаче мощности с помощью блока управления 6 преобразователем 5 осуществляется независимое изменение как частоты f₂ напряжения, подводимого к обмотке ротора, так и значения самого напряжения. В результате в электрической передаче мощности асинхронный тяговый электродвигатель работает в режиме машины двойного питания. При перевозбуждении (при большом токе ротора) асинхронный тяговый электродвигатель может генерировать реактивную мощность в тяговый синхронный генератор, работая с опережающим коэффициентом мощности, что является очень ценным свойством предлагаемой электрической передачи мощности. Кроме того, питание асинхронного тягового электродвигателя не от преобразователя частоты, а непосредственно от тягового синхронного генератора обеспечивает более высокие значения КПД тягового синхронного генератора и асинхронного тягового электродвигателя.

При работе асинхронного тягового электродвигателя с подсинхронной частотой вращения ω_АТД, т.е. когда ω_АТД<ω₀, мощность, потребляемая со стороны статора, частично поступает на вал; остальная часть, исключая потери, через ротор возвращается в тяговый синхронный генератор.

При f₂=0 асинхронный тяговый электродвигатель превращается в обычную синхронную машину с возбуждением постоянным током.

При работе асинхронного тягового электродвигателя с надсинхронной частотой вращения ω_АТД, т.е. когда ω_АТД>ω₀, электрическая мощность будет подводиться как со стороны статора, так и со стороны ротора. Мощность, равная сумме этих мощностей статора и ротора, за вычетом потерь, преобразованная в механическую, будет передана на вал асинхронного тягового электродвигателя.

Из принципа работы электрической передачи мощности переменного тока тягового транспортного средства следует, что непосредственный преобразователь частоты должен быть многофазным. При проходе через синхронную частоту вращения ω₀ следование напряжения по фазам на выходе непосредственного преобразователя частоты должно менять свой знак, благодаря чему поле ротора изменяет свое направление вращения относительно ротора; при синхронной частоте вращения ω₀ преобразователь частоты должен в зависимости от фазового положения ротора соответствующим образом распределять постоянный ток возбуждения между фазами ротора асинхронного тягового электродвигателя. Преобразователь частоты должен быть реверсивным для активной и реактивной мощностей, не должен вносить потерь реактивной мощности. Высокий КПД преобразователя частоты должен обеспечиваться ключевым режимом работы переключающих полупроводниковых элементов. Преобразователь частоты со всеми перечисленными свойствами может быть выполнен без звена постоянного тока, т.е. должен быть непосредственным преобразователем частоты.

Важной особенностью электрической передачи мощности переменного тока тягового транспортного средства является небольшая установочная мощность непосредственного преобразователя частоты и простота управления асинхронным тяговым электродвигателем, плавное и экономичное регулирование частоты вращения ω_АТД вала асинхронного тягового электродвигателя, возможность изменения напряжения и частоты в роторной обмотке по требуемому закону, обеспечивающему необходимую перегрузочную способность асинхронного тягового электродвигателя и рациональное распределение реактивной мощности между роторной и статорными обмотками.

В предлагаемой электрической передаче мощности переменного тока тягового транспортного средства блок возбуждения 2 тягового синхронного генератора 1 обеспечивает такой закон изменения его тока возбуждения, при котором его мощность остается примерно постоянной при данной скорости вращения вала двигатель-генератора. Это означает, что напряжение тягового синхронного генератора должно изменяться в обратно пропорциональной зависимости от тока его нагрузки, то есть от тока асинхронного тягового электродвигателя.

При трогании (пуске) тягового транспортного средства значение сигнала задания n_к блока управления 8 такое, что скорость вращения вала двигатель-генератора минимальна. При этом блок управления 6 обеспечивает минимальную разность частот f₁ и f₂. Разгон тягового транспортного средства осуществляется путем увеличения скорости вращения вала двигатель-генератора, а значит и частоты f₁.

При установившемся режиме работы двигатель-генератора, то есть при постоянных значениях скорости вращения его вала и частоты f₁, скорость движения тягового транспортного средства изменяется автоматически в зависимости от изменений силы сопротивления движению путем изменения частоты f₂ и напряжения тягового синхронного генератора 1 с помощью системы управления тепловым двигателем и передачей мощности, содержащей блок возбуждения 2 и блоки управления 6 и 8.

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 электрооборудованию тягового транспортного электроподвижного состава. Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства содержит тяговый синхронный генератор с блоком возбуждения, приводимый от теплового двигателя, асинхронный тяговый электродвигатель с фазным ротором, вал которого связан с осью движущих колес, непосредственный преобразователь частоты с блоком управления и блок управления тепловым двигателем и электрической передачей мощности. Статорные обмотки асинхронного тягового электродвигателя подключены к статорным обмоткам тягового синхронного генератора, а роторная обмотка - к выходу непосредственного преобразователя частоты, также подключенного к статорным обмоткам тягового синхронного генератора. Блок управления тепловым двигателем и электрической передачей мощности подключен к тепловому двигателю, к блоку возбуждения тягового синхронного генератора и блоку управления непосредственного преобразователя частоты. Технический результат – обеспечение плавного и экономичного регулирования частоты вращения тяговых электродвигателей транспортного средства. 1 ил.

Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства, содержащая тяговый синхронный генератор, приводимый от теплового двигателя, асинхронные тяговые электродвигатели, отличающаяся тем, что статорные обмотки тягового синхронного генератора непосредственно подключены к статорным обмоткам асинхронных тяговых электродвигателей, валы которых соединены с осями движущих колес тягового транспортного средства, непосредственный преобразователь частоты также подключен к статорным обмоткам тягового синхронного генератора, вход непосредственного преобразователя частоты подключен к блоку управления тепловым двигателем и передачей мощности, а его выход - к роторным обмоткам асинхронных тяговых электродвигателей, блок управления тепловым двигателем и электрической передачей мощности подключен к тепловому двигателю, блоку возбуждения тягового синхронного генератора и блоку управления непосредственного преобразователя частоты.