ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2006 года по МПК 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 передачами мощности постоянного тока. Известные электрические передачи мощности переменно-постоянно-переменного тока содержат тяговый синхронный генератор с блоком возбуждения, тяговую выпрямительную установку, тяговый преобразователь частоты и асинхронные тяговые двигатели [1-12]. Такие электрические передачи мощности разработаны на основе систем тягового электрического привода осей движущих колес электрического тягового подвижного состава, на котором нет тягового синхронного генератора, а электрическая энергия подается из 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 в силовой цепи передачи, которые имеют определенные габаритные размеры, массу, стоимость, надежность и расходы на и эксплуатацию и ремонт.

Известна электрическая передача мощности тягового транспортного средства [3], которая содержит тяговый синхронный генератор, приводимый от теплового двигателя, блок возбуждения тягового синхронного генератора, асинхронные тяговые двигатели и блок управления передачей. К статорным обмоткам тягового синхронного генератора подключены статорные обмотки двух одинаковых асинхронных тяговых двигателей. Роторные обмотки асинхронных тяговых двигателей соединены последовательно и подключены посредством выпрямителя к двигателю постоянного тока, вал которого соединен с валом теплового двигателя, а обмотка возбуждения подключена ко второму блоку возбуждения. 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 передачей подключен к тепловому двигателю, блокам возбуждения тягового синхронного генератора и двигателя постоянного тока и к механизму поворота статора асинхронного тягового двигателя.

Большим недостатком известной электрической передачи мощности тягового транспортного средства по [3] является наличие в ней выпрямителя и двигателя постоянного тока, который имеет большую стоимость и массу, большие габаритные размеры и расходы на эксплуатацию и ремонт по сравнению с машинами переменного тока и особенно по сравнению с полупроводниковыми преобразователями. КПД непосредственного преобразователя частоты имеет большие значения, чем произведение КПД выпрямителя и двигателя постоянного тока.

Предлагаемая электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства по сравнению с известной передачей по [3] имеет меньшую стоимость и массу, меньшие габаритные размеры, более высокий КПД и меньшие расходы на эксплуатацию и ремонт, большую монтажную гибкость.

Предлагаемая электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства (см. чертеж. Принципиальная блок-схема электрической передачи мощности переменного тока тягового транспортного средства) содержит тяговый синхронный генератор 1, обмотка возбуждения которого подключена к блоку возбуждения 2, вал его соединен с валом теплового двигателя 3; к его статорным обмоткам подключены непосредственный преобразователь частоты (без звена постоянного тока - выпрямителя) 4 и статорные обмотки двух одинаковых асинхронных тяговых двигателей 5 и 6, роторные обмотки которых соединены последовательно и подключены к непосредственному преобразователю частоты 4, валы асинхронных тяговых двигателей соединены между собой и с осями 7 движущих колес тягового транспортного средства; статор одного из асинхронных тяговых двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота 8, а также блок управления 9 передачей мощности, подключенный к тепловому двигателю 3, блоку возбуждения 2, блоку управления 10 непосредственного преобразователя частоты 6 и к механизму поворота статора 8.

Предлагаемая электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства работает следующим образом. При максимальной частоте вращения ω_АТД валов асинхронных тяговых двигателей и оси 7 движущих колес ω_к 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 4 и 5 β_max был равен 180° электрических (это соответствует ±180°/p градусов геометрических, где p - 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.

В рассматриваемом случае (в диапазоне высоких частот вращения) ω_АТД валов асинхронных тяговых двигателей и оси 7 движущих колес ω_к изменения ω_АТД целесообразно производить путем изменения частоты и напряжения в обмотках роторов асинхронных тяговых двигателей с помощью непосредственного преобразователя частоты 4 до значения скольжения s=0,25. Последующее уменьшение частоты вращения ω_АТД (скорости движения тягового транспортного средства) достигается поворотом статора асинхронного тягового двигателя 6. При повороте статора в сторону уменьшения β результирующая ЭДС роторных обмоток асинхронных тяговых двигателей 5 и 6, равная геометрической сумме ЭДС обмоток роторов, при том же скольжении начнет уменьшаться, ток в обмотках роторов уменьшится, и момент, развиваемый асинхронными тяговыми двигателями, уменьшится. Частота вращения ω_АТД 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°) ЭДС обмоток их роторов равны и направлены встречно, результирующая ЭДС равна нулю и частота вращения ω_АТД=0. Увеличение частоты вращения ω_АТД достигается сначала поворотом статора асинхронного тягового двигателя 6 (увеличением угла β), а затем уменьшением частоты f₂.

Частота вращения ω_АТД валов асинхронных тяговых двигателей зависит от частоты напряжения в статорных обмотках и в обмотках их роторов и определяется выражением ω_АТД=2π(f₁±f₂)/p, где f₁ и f₂ - соответственно частота напряжения тягового синхронного генератора и частота напряжения в обмотках роторов асинхронных тяговых двигателей. Знак «минус» в этом выражении соответствует вращению полей статоров и роторов асинхронных тяговых двигателей в одном направлении, а знак «плюс» - в противоположном направлении. Изменяя частоту и напряжение в обмотках роторов асинхронных тяговых двигателей, можно заставить вращаться их валы 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 10 непосредственным преобразователем 4 осуществляется независимое изменение как частоты f₂ напряжения, подводимого к обмоткам роторов, так и значения самого напряжения. В результате в электрической передаче мощности асинхронные тяговые двигатели работают в режиме машины двойного питания. При перевозбуждении (при большом токе в обмотках роторов) асинхронные тяговые двигатели могут генерировать реактивную мощность в тяговый синхронный генератор, работая с опережающим коэффициентом мощности, что является очень ценным свойством предлагаемой электрической передачи мощности. Кроме того, питание статорных обмоток асинхронных тяговых двигателей не от преобразователя частоты, а непосредственно от статорных обмоток тягового синхронного генератора обеспечивает более высокие значения КПД тягового синхронного генератора и асинхронных тяговых двигателей.

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 предлагаемой 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 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 предлагаемой электрической передачи мощности переменного тока тягового транспортного средства является небольшая установочная мощность непосредственного преобразователя частоты, работа его в зоне сравнительно невысоких частот и простота управления асинхронными тяговыми двигателями, плавное и экономичное регулирование частоты вращения ω_АТД валов асинхронных тяговых двигателей, возможность изменения напряжения и частоты в роторных обмотках по требуемому закону, обеспечивающему необходимую перегрузочную способность асинхронных тяговых двигателей и рациональное распределение реактивной мощности между роторными 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 двигателя-генератора. Это означает, что напряжение тягового синхронного генератора должно изменяться в обратно пропорциональной зависимости от тока его нагрузки, то есть от тока асинхронных тяговых двигателей.

При трогании (пуске) тягового транспортного средства значение сигнала задания Пк блока управления 9 такое, что скорость вращения вала двигателя-генератора минимальна. При этом блок управления 10 обеспечивает минимальную разность частот f₁ и f₂. Разгон тягового транспортного средства с предлагаемой электрической передачей мощности переменного тока осуществляется весьма плавно: на первой стадии - поворотом статора асинхронного тягового двигателя 6, а затем - уменьшением частоты напряжения роторов f₂.

При установившемся режиме работы двигателя-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, напряжения на роторных обмотках и напряжения тягового синхронного генератора 1 с помощью системы управления тепловым двигателем и передачей мощности, содержащей блок возбуждения 2 и блоки управления 8 и 10.

Технический результат заключается в уменьшении стоимости и массы, а также габаритных размеров, расходов на эксплуатацию и ремонт электрической передачи, и увеличении КПД и монтажной гибкости. Он достигается тем, что в электрической передаче мощности переменного тока тягового транспортного средства, содержащей приводимый от теплового двигателя тяговый синхронный генератор, к статорным обмоткам которого подключены статорные обмотки двух одинаковых асинхронных тяговых двигателей, роторные обмотки которых соединены последовательно, а валы 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 тепловым двигателем и передачей мощности подключен к тепловому двигателю, блоку возбуждения тягового синхронного генератора и к механизму поворота статора асинхронного тягового двигателя, непосредственный преобразователь частоты подключен к роторным обмоткам асинхронных тяговых двигателей и к статорным обмоткам тягового синхронного генератора, а его блок управления подключен к блоку управления тепловым двигателем и передачей мощности.

Источники информации

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

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

3. Патент Российской Федерации RU 2207701, Кл. Н 02 Р 7/74, В 60 L 11/08.

4. Рудаков Б.В., Семенов Н.П., Сушков Б.А. Двухчастотный синхронный генератор и многоскоростной асинхронный двигатель для передвижных установок. - Энергетика, 1967, №5.

5. А.с. 691320, М. Кл.² B 60 L 11/08, 1979, Б.И. №38.

6. Луков Н.М. Регулирование тепловозных тяговых электрических машин. М.: ВЗИИТ, 1973.

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

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

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

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

11. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Наука, 1966.

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

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

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

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

16. А.с. 300048 (СССР). Способ регулирования электрической передачи тепловозов / В.И.Липовка и др., 1972 Б.И., №28.

17. А.с. 300049 (СССР). Способ регулирования электрической передачи тепловоза / В.И.Липовка и др., 1972 Б.И., №28.

Изобретение относится к области тяговых транспортных средств. Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства содержит приводимый от теплового двигателя тяговый синхронный генератор, к статорным обмоткам которого подключены статорные обмотки двух одинаковых асинхронных тяговых двигателей. Роторные обмотки асинхронных тяговых двигателей соединены последовательно, их валы 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 тепловым двигателем и передачей мощности подключен к тепловому двигателю, блоку возбуждения тягового синхронного генератора и к механизму поворота статора асинхронного тягового двигателя. Непосредственный преобразователь частоты подключен к роторным обмоткам асинхронных тяговых двигателей и к статорным обмоткам тягового синхронного генератора, а его блок управления подключен к блоку управления тепловым двигателем и передачей мощности. Технический результат заключается в уменьшении габаритов устройства и массы, повышении КПД, а также в уменьшении расходов при эксплуатации. 1 ил.

Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства, содержащая приводимый от теплового двигателя тяговый синхронный генератор, к статорным обмоткам которого подключены статорные обмотки двух одинаковых асинхронных тяговых двигателей, роторные обмотки которых соединены последовательно, а валы 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 тепловым двигателем и передачей мощности подключен к тепловому двигателю, блоку возбуждения тягового синхронного генератора и к механизму поворота статора асинхронного тягового двигателя, отличающаяся тем, что непосредственный преобразователь частоты подключен к роторным обмоткам асинхронных тяговых двигателей и к статорным обмоткам тягового синхронного генератора, а его блок управления подключен к блоку управления тепловым двигателем и передачей мощности.