СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ НАГРУЗКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2020 года по МПК H02P5/68 B60L9/02 H02H7/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к преобразовательной технике, и может быть использовано для выравнивания нагрузки тяговых двигателей в режиме рекуперативного торможения на электроподвижном составе (электровозах и электропоездах), получающем питание от контактной сети однофазного переменного тока.

Уровень техники

Эксплуатация многозонных выпрямительно-инверторных преобразователей на электровозах переменного тока, построенных на управляемых вентилях - тиристорах, сопровождается низким энергетическим показателем - коэффициентом мощности в режиме рекуперативного торможения при инвертировании постоянного тока генератора в переменный ток сети. Снижение коэффициента мощности электровоза происходит за счет значительного угла сдвига фаз между первой гармоникой тока и напряжения в первичной обмотке трансформатора. Это вызывает значительное потребление электровозом реактивной и снижение использования активной составляющих полной мощности.

Якорная цепь тягового электродвигателя (ТЭД) в режиме рекуперативного торможения состоит из последовательно соединенных якоря и блока балластных резисторов, при этом блок балластных резисторов состоит из двух или более последовательно соединенных резисторов. Для повышения коэффициента мощности один или несколько резисторов шунтируются ключем, представляющим собой управляемый полупроводниковый прибор - биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор), с помощью которого достигается выравнивание нагрузки ТЭД, причем коллектор транзистора подключается к части балластного резистора для шунтирования его активного сопротивления, а эмиттер транзистора - к анодной шине выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза.

Известны различные способы выравнивания нагрузки тяговых двигателей в режиме рекуперативного торможения, а также различные способы повышения коэффициента мощности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения.

Известен способ исключения контурных токов на электровозах серий ЭП1, 2ЭС5К [Электровоз ЭП1. Руководство по эксплуатации. Том 1. Ростов-на-Дону, 2006 г., 540 с.; Электровоз магистральный 2ЭС5К (ЗЭС5К). Руководство по эксплуатации. Книга 1. Описание и работа. Электрические схемы. ОАО «ВЭлНИИ», 2006 г., 339 с.], реализуемый за счет включения в цепи якорей ТЭД последовательно с ними диодов для предотвращения появления контурных токов при переходе в режим рекуперативного торможения. Достоинством данной силовой схемы является повышение надежности ее работы в режиме рекуперативного торможения. Недостатком схемы является низкий коэффициент мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения.

Известен способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока [Патент на изобретение №2561913. Заявка №2014115762/07 от 18.04.2014, опубликовано: 10.09.2015, Бюл. №25], с высоким коэффициентом мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения на всех зонах регулирования, в котором осуществляется шунтирование цепи выпрямленного тока преобразователя двумя цепочками, каждая из которых выполнена из последовательно соединенных силовых неуправляемого вентиля - диода и управляемого вентиля - тиристора и подключена между катодной и анодной шинами преобразователя. В первой цепочке катод диода подключают к катодной шине, а анод тиристора к анодной шине преобразователя. Во второй цепочке катод диода подключают к анодной шине, а анод тиристора к катодной шине преобразователя. Бесконтактное отключение диода каждой цепочки при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот производится с помощью управляемого вентиля - тиристора, который своим запертым состоянием отключает соответствующую цепочку. Достоинствами данного способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем является повышение коэффициента мощности электровоза в режимах выпрямителя и инвертора на всех четырех зонах регулирования напряжения за счет шунтирования цепи выпрямленного тока одной из двух (первой или второй) цепочками, а также бесконтактное отключение каждой из цепочек с помощью тиристора от анодной или катодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в режим инвертора и наоборот, что повышает надежность работы преобразователя по сравнению с контактными схемами. Недостатком данного способа управления является невозможность выравнивания нагрузки ТЭД, разность которой оказывает снижающий эффект на коэффициент мощности электровоза и увеличивает коэффициент относительной пульсации тока якоря ТЭД. Кроме того, для каждого режима работы преобразователя предлагается отдельная цепочка из последовательно соединенных диода и тиристора, шунтирующая цепь выпрямленного тока и подключенная к катодной и анодной шинам преобразователя, то есть необходимо иметь две цепочки согласно двум режимам работы преобразователя. В режиме выпрямителя работает только первая цепочка и не работает вторая, причем первая цепочка присоединена катодом диода к катодной и анодом тиристора к анодной шинам преобразователя, а в режиме инвертора работает только вторая цепочка и не работает первая, причем вторая цепочка присоединена анодом диода к катодной и катодом тиристора к анодной шинам преобразователя. Таким образом, каждая цепочка выполняет свою роль только на протяжении работы соответствующего режима, но не влияет на величину коэффициента мощности электровоза в другом режиме.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении электровоза и устройство для его реализации [Патент на изобретение №2458452. Заявка №2010125801/07 от 23.06.2010, опубликовано: 10.08.2012, Бюл. №22], в котором достигается повышение коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. Способ заключается в том, что часть балластных резисторов шунтируется управляемым ключом в моменты, когда напряжение сети превышает некоторый пороговый уровень, или при поступлении информации о переходе напряжения сети через ноль, а замкнутое состояние ключа осуществляется в диапазоне времени 30-150 электрических градусов от момента перехода напряжения сети через ноль. В качестве управляемых ключей могут быть применены IGBT-транзисторы или модули на полевых транзисторах. Достоинством данного способа являются повышение коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. Недостатком данного способа управления является невозможность выравнивания нагрузки ТЭД, разность которой оказывает снижающий эффект на коэффициент мощности электровоза.

Технический результат способа выравнивания нагрузки тяговых двигателей электровоза переменного тока заключается в том, что управление включением и выключением транзистора шунтирующего ключа производится с помощью подачи на его затвор соответственно отпирающего или запирающего сигнала управления со стороны драйверов системы управления. Для этого в силовую схему электровоза добавляются шунтирующие ключи на базе управляемых полупроводниковых приборов - транзисторов, которые шунтируют часть балластных резисторов, тем самым позволяя изменять их активное сопротивление в необходимые моменты времени.

Раскрытие сущности изобретения

Способ выравнивания нагрузки тяговых двигателей электровоза переменного тока, содержащего тяговый трансформатор, один или несколько выпрямительно-инверторных преобразователей, подключенных к тяговому трансформатору, выпрямительную установку возбуждения, подключенную к последовательно соединенным обмоткам возбуждения нескольких тяговых двигателей, сглаживающий реактор, якоря нескольких тяговых двигателей, балластные резисторы, датчики тока, шунтирующие ключи и систему управления, причем сглаживающий реактор, якорь коллекторного двигателя, балластный резистор, датчик тока подключены к выпрямительно-инверторному преобразователю последовательно, а шунтирующий ключ - параллельно части балластного резистора, где шунтирующий ключ управляется через драйвер с гальванической развязкой от системы управления, датчики тока передают информацию о нагрузке нескольких тяговых двигателей в систему управления, отличающийся тем, что для выравнивания нагрузки тяговых двигателей системой управления изменяется время включения и время отключения шунтирующих ключей внутри полупериода напряжения сети.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена функциональная блок-схема силовых цепей электровоза в режиме рекуперативного торможения по заявляемому способу.

Осуществление изобретения Схема включает тяговый трансформатор 1; два или более работающих в режиме инвертора выпрямительно-инверторных преобразователя 2, n; выпрямительную установку возбуждения 3, питающую постоянным током обмотки возбуждения двигателей 4, 5; сглаживающий реактор 6; якорные обмотки ТД 7, 8, работающие в режиме рекуперативного торможения в качестве генераторов и включенные параллельно; блоки балластных резисторов 9, 10. Элементами, отличающими заявляемую схему от штатной, являются шунтирующие ключи на базе управляемых полупроводниковых приборов - транзисторов 11, 12, причем коллектор каждого транзистора подключается к части балластного резистора, а его эмиттер - к анодной шине выпрямительно-инверторного преобразователя через датчики тока 14, 15; драйверы с гальванической развязкой 13, формирующие сигналы управления для включения и выключения транзистора шунтирующего ключа; датчики тока служат измерения якорного тока; система управления 16, получающая информацию о величинах якорного тока от датчиков тока 14, 15 и формирующая сигналы управления для IGBT-транзисторов 11, 12 шунтирующих ключей, которые подаются на затворы транзисторов через драйверы с гальванической развязкой 13.

При возникновении разности между величинами токов двух параллельно включенных якорных обмоток двигателей она считывается системой управления 16 посредством датчиков тока 14, 15 которые непрерывно измеряют якорный ток и подают информацию в систему управления. В соответствии с полученной информацией система управления формирует управляющие сигналы включения и выключения транзистора шунтирующего ключа, которые посредством драйверов с гальванической развязкой 13 в определенные моменты времени подаются на базу соответствующего транзистора. Включение шунтирующего ключа позволяет току частично протекать через открывшийся шунтирующий ключ, а не через балластный резистор, тем самым обеспечивая изменение величины активного сопротивления балластного резистора на определенных интервалах внутри полупериода напряжения сети, что приводит к изменению тока якоря ТЭД и, соответственно, может использоваться для выравнивания токов параллельно включенных ТЭД.

Для выравнивания токов параллельно включенных ТЭД в цепи двигателя, имеющего меньший ток, время включения ключа, шунтирующего блок балластных резисторов, сдвигается к началу полупериода, а выключения к концу полупериода. Для двигателя, имеющего больший ток, время включения ключа, шунтирующего блок балластных резисторов в его якорной цепи, сдвигается к концу полупериода, а время выключения к началу полупериода.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для выравнивания нагрузки тяговых двигателей в режиме рекуперативного торможения на электроподвижном составе (электровозах и электропоездах), получающем питание от контактной сети однофазного переменного тока. Технический результат – равномерная загрузка обеспечивается тем, что в силовую схему электровоза добавляются шунтирующие ключи на базе управляемых полупроводниковых приборов - транзисторов, которые шунтируют часть балластных резисторов, тем самым позволяя изменять их активное сопротивление в необходимые моменты времени. Управление включением и выключением транзистора шунтирующего ключа производится с помощью подачи на его затвор соответственно отпирающего или запирающего сигнала управления со стороны драйверов системы управления. Заявляемый способ выравнивания нагрузки тяговых двигателей в режиме рекуперативного торможения реализуется в устройстве, содержащем тяговый трансформатор, выпрямительно-инверторные преобразователи, выпрямительную установку возбуждения, тяговые двигатели, сглаживающий реактор, блоки балластных резисторов, датчики тока, шунтирующие ключи, драйверы с гальванической развязкой, систему управления. При возникновении разности между величинами токов якорных обмоток тяговых двигателей она считывается системой управления посредством датчиков тока, которая формирует управляющие сигналы для транзистора шунтирующего ключа и посредством драйверов управления производит включение и выключение шунтирующего ключа в определенные моменты времени. Включение шунтирующего ключа позволяет току частично протекать через открывшийся ключ, а не через балластный резистор, тем самым обеспечивая изменение величины активного сопротивления балластного резистора и, соответственно, выравнивание нагрузки тяговых двигателей. 1 ил.

Способ выравнивания нагрузки тяговых двигателей электровоза переменного тока, содержащего тяговый трансформатор, один или несколько выпрямительно-инверторных преобразователей, подключенных к тяговому трансформатору, выпрямительную установку возбуждения, подключенную к последовательно соединенным обмоткам возбуждения нескольких тяговых двигателей, сглаживающий реактор, якоря нескольких тяговых двигателей, балластные резисторы, датчики тока, шунтирующие ключи и систему управления, причем сглаживающий реактор, якорь коллекторного двигателя, балластный резистор, датчик тока подключены к выпрямительно-инверторному преобразователю последовательно, а шунтирующий ключ - параллельно части балластного резистора, где шунтирующий ключ управляется через драйвер с гальванической развязкой от системы управления, датчики тока передают информацию о нагрузке нескольких тяговых двигателей в систему управления, отличающийся тем, что для выравнивания нагрузки тяговых двигателей системой управления изменяется время включения и время отключения шунтирующих ключей внутри полупериода напряжения сети, причем для выравнивания токов параллельно включенных ТЭД в цепи двигателя, имеющего меньший ток, время включения ключа, шунтирующего блок балластных резисторов, сдвигается к началу полупериода, а выключения к концу полупериода, а для двигателя, имеющего больший ток, время включения ключа, шунтирующего блок балластных резисторов, сдвигается к концу полупериода, а время выключения к началу полупериода.