Преобразователь тяговый локомотива Российский патент 2017 года по МПК B60L11/18 H02M9/06 B60L1/00 

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности - к преобразованию переменного либо постоянного тока в стабильный по напряжению постоянный с последующим преобразованием его в регулируемый постоянный и переменный для питания коллекторных тяговых двигателей, собственных нужд локомотива и внешних потребителей транспортных средств, в частности маневровых тепловозов ТЭМ31Г с гибридной силовой установкой.

Из уровня техники известен силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель-генератора с системой охлаждения по патенту РФ №73566 на полезную модель с датой приоритета от 29.01.2008 г., содержащий модульные блоки с образованием каналов преобразования электрической энергии, соединенных внутренними токопроводящими шинами, систему контроля и управления каналами преобразования электрической энергии в режиме электрического торможения.

Недостатком силового полупроводникового преобразователя является отсутствие возможности рекуперативного торможения.

Известна комбинированная (гибридная) энергоустановка транспортного средства на базе мотор-генераторной установки по заявке №2008147043 на выдачу патента РФ на изобретение с датой приоритета от 28.11.2008, включающая в себя тяговый электродвигатель, подключенный к накопителю энергии с возможностью потребления его энергии в процессе движения транспортного средства и рекуперации энергии в процессе торможения транспортного средства. Первичный источник электрической энергии для зарядки накопителя энергии представляет собой двигатель-генераторную установку с системой управления. Тяговый электродвигатель подключен к накопителю энергии через преобразователь напряжения (инвертор).

Недостатком является наличие накопителя в буфере, что не позволяет обеспечить номинальные режимы работы накопителя и реализовать его защиты, а также отсутствует возможность питания от внешнего источника напряжения.

Известен двухдвигательный тяговый электропривод на базе двигателей независимого возбуждения из патента РФ №2332316 на изобретение с датой приоритета от 27.12.2006, содержащий общий или же индивидуальные статические преобразователи в якорных цепях, реверсивный преобразователь в цепи обмоток возбуждения.

Недостатками технического решения являются отсутствие возможности управления вспомогательными машинами и отсутствие автономного источника энергии для подзарядки батареи во время эксплуатации тепловоза.

Из описания изобретения «Способ работы маневрового тепловоза с энергетической установкой» по патенту РФ №2428335 с датой приоритета от 05.05.2010 известен тепловоз с энергетической установкой, который состоит из дизель-генератора большой размерности, дизель-генератора малой размерности, тяговых двигателей реверсивного типа, силовой аккумуляторной батареи. Изобретение направлено на оптимизацию режимов работы энергетической установки тепловоза за счет комбинации подключения дизель-генераторов и силовой аккумуляторной батареи. Электродвигатели получают питание как от дизель-генератора, так и от силовой аккумуляторной батареи. На малых нагрузках работают дизель-генераторы малой размерности с силовой аккумуляторной батареей. На больших нагрузках - два дизель-генератора и силовая аккумуляторная батарея. Рекуперацию электроэнергии производят в режиме торможения тепловоза, переводя тяговые двигатели в генераторный режим.

Недостатком технического решения, которое раскрыто в описании данного изобретения, является отсутствие возможности реализации защиты аккумуляторной батареи при внештатных ситуациях работы тепловоза.

Наиболее близким техническим решением является изобретение «Силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель-генератора с системой вертикального воздушного охлаждения» по патенту РФ №2342260 с датой приоритета от 29.11.2007 г., содержащее группы силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков, собранных в шесть трехфазных электрических тиристорных мостов с образованием первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого каналов преобразования электрической энергии, соединенных с внутренними фазными токопроводящими шинами трехфазного переменного тока и шинами выпрямленного тока каждого канала преобразования. При этом содержит блок управления каналами преобразования с элементами защиты каждого канала.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности регулирования тока возбуждения и работы в режиме рекуперативного торможения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энергетической эффективности локомотива (снижение удельного расхода топлива и количества потребленной электроэнергии).

Техническими результатами изобретения являются:

- обеспечение постоянства величины напряжения на промежуточной шине, требуемой и необходимой для питания частотных преобразователей для общепромышленных асинхронных двигателей в широком диапазоне напряжений первичных источников питания;

- расширение диапазона регулирования силы тяги за счет регулирования возбуждения тяговых двигателей посредством управления токами возбуждения тяговых двигателей;

- возможность обеспечения работы тяговых двигателей в режиме электрического рекуперативного торможения,

- оптимизация режимов работы энергетической установки локомотива за счет рекуперирования тормозной энергии и повторного использования ее на тягу и на собственные нужды,

- повышение КПД локомотива (снижение расхода топлива и количества потребленной электроэнергии).

Технические результаты обеспечиваются за счет того, что преобразователь тяговый локомотива содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, которые представлены зарядно-разрядным устройством, n-числом конверторов, устройством управления током возбуждения, первичным источником питания, соединенных между собой промежуточной шиной питания. При этом зарядно-разрядный преобразователь, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения и первичный источник питания соединены между собой. Зарядно-разрядный преобразователь, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения, первичный источник питания содержат программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление и защиту собственного канала питания.

Устройство управления током возбуждения может включать в себя блок гальванической развязки и блок управления током возбуждения.

В качестве первичного источника питания может быть преобразователь частоты дизель-генератора либо источник питания от внешней сети.

Преобразователь тяговый локомотива может содержать инвертор для питания собственных нужд локомотива и внешних потребителей, устройство электродинамического торможения, модуль охлаждения.

К каналам преобразования электрической энергии, соединенным промежуточной шиной питания, относятся:

- каналы заряда и разряда накопителя энергии (зарядно-разрядный преобразователь);

- каналы управления током якоря (конверторы);

- каналы управления током возбуждения (устройство управления током возбуждения);

- каналы первичного питания (источник питания от внешней сети и/или преобразователь частоты дизель-генератора);

- каналы питания собственных нужд локомотива и внешних потребителей (инвертор);

- канал электродинамического торможения (устройство электродинамического торможения).

На фигуре 1 представлена структурная схема преобразователя тягового локомотива.

Преобразователь тяговый 1 локомотива содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, соединенных между собой промежуточной шиной питания 2. Каналы заряда и разряда накопителя энергии (аккумуляторная или конденсаторная батарея) формируются зарядно-разрядным преобразователем 3. Каналы первичного питания формируются источником питания от внешней сети 4 и/или преобразователем частоты дизель-генератора 5. Каналы управления током якоря формируются n-числом конверторов 6. Каналы управления током возбуждения формируются устройством управления током возбуждения 7, который может включать в себя блок гальванической развязки 8 и блок управления током возбуждения 9. Каналы питания собственных нужд локомотива и внешних потребителей формируются инвертором 10. Канал электродинамического торможения формируется устройством электродинамического торможения 11. Зарядно-разрядный преобразователь 3, первичный источник питания 4 и/или 5, n-число конверторов 6 и устройство управления током возбуждения 8 соединены между собой промежуточной шиной питания 2. Элементы 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11 содержат систему диагностики и систему автоматического регулирования выходных параметров для осуществления внутренней диагностики и передачи результатов диагностирования в систему управления локомотива за счет программного обеспечения, выполняющего программный контроль. Преобразователь тяговый 1 может содержать модуль охлаждения 12, который может быть выполнен с воздушным охлаждением или с принудительным воздушным охлаждением с замкнутыми жидкостными контурами.

Преобразователь тяговый локомотива работает следующим образом.

Зарядно-разрядный преобразователь 3 обеспечивает преобразование напряжения постоянного тока на промежуточной шине питания в требуемое напряжение или ток для заряда накопителя энергии, направляет рекуперированную при электрическом торможении энергию в накопитель энергии. Зарядно-разрядный преобразователь 3 обеспечивает питание промежуточных шин постоянного тока от накопителя энергии в режиме тяги и на стоянке.

Энергия для заряда накопителя энергии поступает от источника питания от внешней сети и/или от преобразователя частоты дизель-генераторной установки, либо от конверторов в режиме рекуперативного торможения.

Входное трехфазное напряжение с дизель-генератора локомотива поступает на вход преобразователя частоты дизель-генератора 5, который преобразует его в напряжение постоянного тока и выдает на промежуточную шину питания для питания составных частей преобразователя тягового 1.

В режиме рекуперативного торможения дизель-генератор может использоваться как потребитель рекуперированной энергии.

Входное напряжение внешней сети (контактная сеть либо выпрямительная установка стационарного зарядного устройства) поступает на вход источника питания 4, который преобразует его в напряжение постоянного тока и выдает на промежуточную шину питания для питания составных частей преобразователя тягового 1.

Конверторы 6 управляют токами якорей тяговых двигателей и обеспечивают плавное регулирование напряжения либо тока якорей тяговых двигателей.

Устройство управления током возбуждения 7 обеспечивает регулирование тока в обмотках возбуждения тяговых двигателей, обеспечивая гальваническую развязку от якорных цепей, и возможность реверсирования тока в обмотках возбуждения.

Устройство управления током возбуждения 7 работает следующим образом: блок гальванической развязки 8 формирует гальванически развязанное постоянное напряжение, которое подается на вход блока управления током возбуждения 9. Блок 9 формирует и выдает требуемое значение тока в обмотки возбуждения тяговых двигателей.

Задавая с помощью конверторов 6 требуемое значение тока якоря по уставкам в якорную цепь, а с помощью устройства управления током возбуждения 7 требуемое значение тока возбуждения, формируется необходимый момент на валу тяговых двигателей.

Инвертор 10 и устройство электродинамического торможения 11 могут быть подключены к шинам постоянного тока преобразователя тягового 1. Инвертор 10 обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное для питания компрессора и защиту подключенного компрессора в процессе его работы. Устройство электродинамического торможения 11 обеспечивает передачу энергии, получаемой при рекуперативном торможении на внешний тормозной резистор.

Зарядно-разрядный преобразователь 3, источник питания от внешней сети 4 и преобразователь частоты дизель-генераторной установки обеспечивают постоянного напряжение на промежуточной шине питания.

Обеспечение постоянства стабильного напряжения шины постоянного тока позволяет производить питание внешних потребителей без дополнительного повышения напряжения, а также реализует возможность питания частотных преобразователей для общепромышленных асинхронных электродвигателей вспомогательных машин.

Управление токами возбуждения обеспечивает возможность создания большой силы тяги меньшим током якоря при работе на малых скоростях, а также возможность рекуперативного торможения.

Применение зарядно-разрядного преобразователя повышает энергетическую эффективность локомотива (снижение удельного расхода топлива и количества потребленной электроэнергии) за счет использования аккумулированной в режиме рекуперативного торможения энергии на тягу и собственные нужды, а также за счет оптимизации режимов работы дизель-генераторной установки.

Выполнение преобразователя тягового локомотива, который содержит n-число каналов преобразования электрической энергии, соединенных между собой промежуточной шиной питания и сформированных зарядно-разрядным устройством, n-числом конверторов, устройством управления током возбуждения, источником питания от внешней сети и/или преобразователем частоты дизель-генератора, при этом зарядно-разрядное устройство, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения, источник питания от внешней сети и/или преобразователь частоты дизель-генератора содержат программное обеспечение, осуществляющее управление и защиту собственного канала питания, обеспечивают возможность работы тяговых двигателей в режиме электрического рекуперативного торможения, постоянство напряжения электропитания локомотива в широком диапазоне напряжений на входах первичных источников питания, расширение диапазона регулирования силы тяги, оптимизацию режимов работы энергетической установки локомотива, повышение КПД локомотива (снижение расхода топлива и количества потребленной электроэнергии).

Изобретение относится к электрическим тяговым системам транспортных средств с питанием от собственных источников энергоснабжения. Преобразователь тяговый локомотива содержит n-число каналов преобразования электрической энергии. Каналы преобразователя формируются зарядно-разрядным преобразователем, n-числом конверторов, устройством управления током возбуждения, источником питания от внешней сети и/или преобразователем частоты дизель-генератора. При этом зарядно-разрядный преобразователь, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения, источник питания от внешней сети и/или преобразователь частоты дизель-генератора соединены между собой. Кроме того, зарядно-разрядный преобразователь, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения, источник питания от внешней сети и/или преобразователь частоты дизель-генератора содержат программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление, защиту и диагностику собственного канала. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности локомотива. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Преобразователь тяговый локомотива, содержащий n-число каналов преобразования электрической энергии, соединенных между собой промежуточной шиной питания, отличающийся тем, что каналы преобразования формируются зарядно-разрядным преобразователем, n-числом конверторов, устройством управления током возбуждения, первичным источником питания, при этом зарядно-разрядный преобразователь, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения, первичный источник питания соединены между собой, кроме того зарядно-разрядный преобразователь, n-число конверторов, устройство управления током возбуждения, первичный источник питания содержат программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление, защиту и диагностику собственного канала.

2. Преобразователь тяговый локомотива по п. 1, отличающийся тем, что первичный источник питания представлен источником питания от внешней сети.

3. Преобразователь тяговый локомотива по п. 1, отличающийся тем, что первичный источник питания представлен преобразователем частоты дизель-генератора.

4. Преобразователь тяговый локомотива по п. 1, отличающийся тем, что первичный источник питания представлен источником питания от внешней сети и преобразователем частоты дизель-генератора.

5. Преобразователь тяговый локомотива по п. 1, отличающийся тем, что устройство управления током возбуждения включает в себя блок гальванической развязки и блок управления током возбуждения.

6. Преобразователь тяговый локомотива по п. 1, отличающийся тем, что содержит инвертор для питания собственных нужд локомотива и внешних потребителей.

7. Преобразователь тяговый локомотива по п. 1, отличающийся тем, что содержит устройство электродинамического торможения.

8. Преобразователь тяговый локомотива по п. 1, отличающийся тем, что содержит модуль охлаждения.