Электропривод транспортного средства Советский патент 1984 года по МПК H02P5/16 B60L15/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в тяговых электроприводах постоянного тока с тиристорно-импульсным управле нием режимов пуска и торможения или в электроприводе постоянного тока об щепромьшшенного применения. Известен электропривод постоянног тока, содержащий электродвигатель постоянного тока, обмотка возбуждекия которого включена между точкой соединения обмоток трансформатора и точкой соединения двух пар последова тельно включенных тиристоров, причем концы одной пары подключены к точке соединения обмоток трансформатора с обмоткой возбуждения двигателя, а ко цы второй пары подключены к концам обмоток трансформатора, один из которых соединен с одним выводом источ ника питания через тиристорный прерыватель, а другой - с другим выводом источника питания С1Д. В известном электроприводе имеется возможность регулирования тока в обмотке возбуждения электродвигателя гальванически развязанной от источни ка питания. Кроме того исключен кон тактный переключатель для реверсирования двигателя. Однако в известном электроприводе необходим дополнитель ный источник для питания обмотки яко ря электродвигателя или специальное устройство для регулирования на ней напряжения, подводимого от основного источника питания. Известен другоГ; электропривод тра спортного средства, содержащий по меньшей мере два тиристорных прерывателя и два обратных диода группу тяговых электродвигателей с последовательно соед11ненными обмотками якорей и последовательно coeдинeнны fи обмотками возбуждения, сглаживак1и1 - е реакторы, первичная обмотка каждого из которых включена между одним выводом цепи обмоток якорей и выводо одного из тиристорных прерывателей, другие выводы которых соединены с одним зажимом источника питания, подлслюченногр другим зажимом к другому выводу цепи обмоток якорей и через один из обратных диодов - к общей точке первичной обмотки одного из сглаживающих реакторов и одного из тиристорных прерывателей. При этом обмотки возбуждения тяговых электродвигателей подключены к последовательно соединенным между собой вторичным обмоткам сглаживающих реакторов через двухполупериодный выпрямитель 2. В указанном устройстве величина тока в обмотках возбуждения электродвигателей определяется напряжением на вторичных обмотках сглаживающих реакторов, напряжение на первичкь х обмотках которых зависит от коэффициента заполнения тиристорных прерывателей. Вследствие этого в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей имеет место автоматическое изменение тока возбуждения при изменении частоты вращения электродвигателей. Но такой закон изменения тока возбуждения электродвигателей не является оптимальным с точки зрения реализации максимальных тяговых и тормозных усилий при управлении транспортным средством. Кроме-того, питание обмоток возбуждения от вторичной обмотки сглаживающего реактора снижает его эффективность сглаживания тока в обмотках якорей, что приводит к необходимости увеличения его массогабаритных показателей. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является электропривод транспортного средства, содержащий тяговый электродвигатель с обмоткой якоря и возбуждения, сглаживающий реактор и тиристорный прерыватель, состоящий из четырех тиристоров, включенных по мостовой схеме с коммутируюишм кбндеясатором н 3 диагонали, обратные вентили, подключенные одними электродами к этой диагонали, а другими - к первом выводу обмотки якоря электродвигателя через пусковой контактор и к обкладке конденсатора входного LC-филь тра, другая обкладка которого соединена с объединенными электродами тиристоров прерывателя С31. Недостатками данного устройства являются увеличенные массогабаритнйе показатели тягового электродйигателя из-за необходимости выполнения изоляции обмотки возбуждения по отно шению к статору на максимальное напр жение источника питания и потребност в установке Специальных устройств за щиты транспортного средства от толчков силы тяги в аварийных режимах пу тем снятия возбуждения тяговых электродвигателей или дополнительного быстродействующего разрыва силовой цепи. Кроме того, в устройстве существу ет необходимость в использований дополнительных аппаратов для реверси рования тяговьтх электродвигателей ил при необходимости, для регулирования тока в их обмотках возбуждения, что снижает надежность электропривода. Недостатком устройства также является невысокая стабильность электродинамического торможения вследствие зависимости времени самовозбуждения тяговых электродвигателей от скорости начала торможения транспортного средства. Цель изобретения - улучшение экс.плуатационных характеристик транспортного средства путем снижения массогабаритных показателей тягового электродвигателя и автоматического снятия его Возбуждения в аварийны режимах. Поставленная цель-достигается тем, что в электропривод транспортного средства, содержащий тяговый электродвигатель с обмоткой якоря и обмоткой возбуждения, сглаживающий реактор и тиристорный прерыватель, состоящий из четырех тиристоров, соединенных по мостовой схеме с коммутирующим конденсатором в диагонали, обратные вентили, подключенные одними электродами к выводам этой диагонали, а другими - к первому выводу обмотки якоря тягового электродвигателя через пусковой контактор и к об0кладке конденсатора входного LC -фильтра, яругйя обкпадка которого соединена с объединенными электродами тиристоров прерьшатепя, дополнительно введены резистор двухполупериодный вьтрямитель и трансформатор первичная обмотка которого включена между одноименньми электродами тиристоров прерывателя, подключенных другими электродами к одноименньач электродам обратных вентилей, а ее средняя точка соединена с вторым выводом обмотки якоря тягового электродвигателя через сглаживающий реактор, при этом обмотка возбуждения тягового электродвигателя подключена через двухполупериодный выпрямитель к вторичной обмотке трансформа тора, шунтированной резистором. С целью повышения надежности и расширения диапазона регулирования скорости транспортного средства в электропривод введены последовательно соединенные вспомогательный контактор и ограничительный резистор, шунтируюа1ие пусковой контактор, диод, один электрод которого соединен с первым выводом обмотки якоря электродвигателя, а другой - с объединенными электродами тиристоров прерывателя, вентили двухполупериодного выпрямителя вьтолнены в виде тиристоров .и при этом каждый из них шунтирован дополнительно введенным тиристором, включенньм встречно. Кроме того, с целью повышения КПД электропривода в него введен дополнительный двухполупериодный выпрямитель а трансформатор вьшолнен с дополнительной обмоткой, которая через вспомогательный двухполупериодный вьтрямитель подключена параллельно конденсатору входного LC-фильтра. На фиг. 1, 2, ЗиЛ изображены электрические схемы электропривода транспортного средства; на фиг, 5 диаграммы токов в обмотках якоря и возбуждения тягового электродвигателя, в вентилях тиристорного прерывателя и двухполупериодного выпрямителя и диаграмма магнитного потока в магнитопроводе трансформатора для двух ступеней работы тиристорного прерывателя; на фиг. 6 - диаграммы токов в обмотках якоря и возбуждения тягового электродвигателя, в вентилях двух- полупериодного выпрямителя, в резисторе и диаграмма потока в магнитопроводе трансформатора в режиме регулирования тока в обмотке возбуждения тягового электродвигателя. Электропривод трансформаторного средства содержит тяговый электродви гатель 1 с обмоткой 2 якоря и обмоткой 3 возбуждения, сглаживающий реак тор i4 и тиристорный прерыватель, сос тоящий из четырех тиристоров 5-8, соединенных по мостовой схеме с коммутирующим конденсатором 9 в диагона ли, обратные вентили 10 и 11, подключенные одними электродами к выводам этой диагонали, а другими - к первому выводу обмотки 2 якоря тягонего электродвигателя 1 через пусковой конденсатор 12 и к обкладке конденсатора 13 входного LC -фильтра, другай обкладка которого соединена с объединенными электродами тиристоров 6 и 8 прерывателя. Кроме того, электропривод содержи резистор 14, двyxпoлyпe иoднь й выпря митель 15, содержащий диоды 16 и 17 и трансформатор 18jпервичная обмотка 19 которого, включена между одноименными электродами тиристоров 5 и 7 прерывателя, а ее средняя точка соед нена с вторым выводом обмотки 2 якоря тягового электродвигателя 1 tie рез сглаживающий реактор 4, при этом обмотка возбуждения 3 тягового элекI тродвигателя 1 подключена через двухполупериодный вьтрямитель 15 к вторичной обмотке 20 трансформатора, шунтированной резистором 14. Электропривод транспортного средства (фиг. 2) содержит последова тельно соединенные вспомогательный контактор 21 и ограничительный резис тор 22, шунтирующие пусковой контактор 12, диод 23, один электрод которого соединен с первым выводом обМотки 2 якоря электродвигателя 1j а анод с объединенными электродами тиристоров 6 и В прерывателя, вентили двухполупериодного вьшрямителя 15 выполнены в виде тиристоров 24 и 25 и при этом каждый из них шунтирован соответственно тиристором 26 и 27. Электропривод содержит также (фиг.З) дополнительный двухполупериод ный выпрямитель 28, состоящий из диодов 29 и 30, а трансформатор 18 выполней с дополнительной обмоткой 31, которая через дополнительный двух полупериодный выпрямитель 28 подключе на параллельно конденсатору 13 входноо LC -фильтра. Входной LC -фильтр содержит реактор 32 и подключен к источнику питания 33. Для дополнительного подвозбуждения электропривод содержит (фиг.4) источник 34, к выводам которого подключен мостовой коммутатор, собранный на тиристорах 35, 36, 37 и 38. Диагональ мостового коммутатора через последовательно соединенные контактор 39 и резистор 40 подключена к обмотке возбуждения 3. Электропривод транспортного средства (фиг. 1) работает следующим образом. При замкнутом пусковом контакторе 12 средний ток обмотки 2 якоря тягового электродвигателя 1 поддерживается на заданном уровне с помощью тиристорного прерывателя путем изменения времени включенного состояния тиристоров 5-8, определяемого сдвигом во времени между управляющими импульсами. Исходя из условия, что при доста.точно высокой частоте регулирования и значительной суммарной индуктивности обмотки 2 якоря и сглаживающего реактора 4 ток в цепи обмотки 2 якоря в течение периода работы тиристорного прерывателя остается практически постоянным, на фиг. 5 приведены диаграммы токов в ветвях тиристорного прерывателя для двух ступеней (ci,rf) его работы. Здесь I - ток в обмотке якоря тягового электродвигателя, Т - период регулирования. Из диаграммы (фиг.5) видно, что в любом режиме работы тиристорного прерывателя, тиристоры 5 и 7 и части первичной обмотки 19 трансформатора.18, включенные в цепи этих тиристоров,поочередно обтекаются током обмотки 2 якоря в течение времени Т, поэтому магнитный поток ( в магнитопроводе трансформатора 18 изменяется в соответствии с диаграммами (фиг. 5). ij в обмотке 3 При напичии Tojca возбуждения, отличающегося по величине от тока ij в обмотке 2 якоря в общем случае в К раз, где К - коэффициент трансформации по току трансформатора 18, по диодам 16 и 17 диухполу периодного выпрямителя 15 гфотскак т токи 1л§ , i,:) . Ксли Г(-.ротиич1-1гис

резистора 14 r почти на порядок больше активного сопротивления г обмотки 3 возбуяэденид, то током через резистор 14 в квазиустановившемся режиме можно пренебречь; поэтому

ij К

ЧВ переходных режимах, например,

при запуске тиристорного прерьюателя, когда ток в обмотке 3 возбуждения отсутствует из-за наличия индуктивности LJ обмотки 3 возбуждения изменение тока в ней определяется соотношением индуктивности Lj и сопротивлений Г;,- и г, .

Максимальное напряжение на обмотке 3 возбуждения равно , что как правило в 3-4 раза меньше напряжения источника питания,В аварийных режимах при срыве рдботы тиристорного прерывателя или нарушении изоляции обмотки 2 якоря тягового электродвигателя 1, когда ток ij начинает протекать, минуя тиристорньй прерыватель, происхо- дит автоматичесгкоё снижение магнитноге потока Ф в магнитопроводе транс форматора 18 вследствие насьпцений трансформатора 18 или отсутствия тока в его первичной обмотке 19.; Поэтому ток ij в обмотке 3 возбуждения и поток в электродвигателе начинайт спадать, а BMecte с ними и сила тяги тягового электродвигателя 1, Тем самым автоматически осуществляется защита механической части электропривода от чрезмерных нагрузок путем автоматического снятия момента на валу тягового электродвигателя 1.

В схеме электропривода (фиг. 2 и 4) двухполупериодный выпрямитель 15 служит не только для выпрямления тока вторичной обмотки 20 трансформатора 18, но и для осуществления ревер-: сирования тока i в обмотке 3 возбуждения и его регулирования, При движеНИИ вперед и полном возбуждении тягового электродвигателя 1 поочередно включаются тиристоры 24 и 25, управляющие импульсы на них проходят одновременно с подачей управляющих импульсов на тиристоры 5 и 7 соответственно. При движении назад и полном возбуждении тягового электродвигателя 1 поочередно включают тиристоры 26 и 27, а управляющие импульсы на них проходят одновременно с подачей управляющих импульсов на тиристоры 7 и 5 соответственно.

При наличии управляемого реверсивного выпрямителя (тиристоров 2427) легко осуществляется переход срежима пуска на режим рекуперативного торможения. Если движение в тяговом режиме транспортного средства при включенном пусковом контакторе 12 происходит при поочередном включении тиристоров 24 и 25, то для осуществления рекуперативного торможения транспортного средства необходимо после размыкания пускового контактора 12 замкнуть вспомогательный контактор 39 и змeнить алгоритм следования управлянлцих импульсов на тиристоры двухполупериодного выпрямителя 15 (для реверсирования тока в обмотке 3 возбуждения). Тогда при работе тиристорного прерывателя и поочередном включении тиристоров 26 и 27 двухполупериодного выпрямителя 15 происходит перемагничивание тягового электродвигателя 1 током, определяемым сопротивлением ограничительного резистора 40, напряжением источника 33 питания и коэффициентом заполнения тиристорного прерывателя.

После появления напряжения на выв дах обмотки 2 якоря тягового электродвигателя 1, работающего при торможении в генераторном режиме, достаточно для поддержания заданного тормозного тока, контактор 39 может быть разомкнут.

В режиме рекуперативного торможения, как и при пуске, возможны две ступени работы тиристорного прерьгоателя, поэтому диаграммы фиг. 5 хара терны и для тормозного режима работы тягового электродвигателя 1 с той лишь разницей, что ток ij в обмотке 3 возбуждения будет протекать в противоположном направлении (пунктирные линии на фиг. 3).

Регулирование тока в обмотке 3 возбуткдения в пусковом или тормозном режиме осуществляется следующим образом.

Если при полном возбуждении поочередно включаются тиристоры 24 и 25, то для ослабления возбуждения на интервале проводимости тиристора 24(25) управляющие импульсы подаются на тиристор 27(26). При этом степень ослабления возбуждения тем больше, чем больше интервал времени t 1 с момента включения тиристора 27(26) до момента изменения произЭ1водной потока CRg в магнитопро}зоде трансформатора 18 при включении тиристора 25(24). На фиг. 6 .показаны диаграмг яы тока в обмотке 2 якоря i потока Ш/й в магнитопроводе трансфор-,, матора 18, токов i , , , Ij- , в вентилях 24-27 двухполупериодного вьтрямителя 15, тока ij, в обмотке. 3 возбуждения и тока i/i/t и резисторе 14 в режиме, когда сначала происходит ослабление возбуждения при увеличении времени t/i с момента включения тиристора 26(27) до момента включения тиристора 24(25), а затем усиления возбуждения (уже при реверсированном токе в обмотке 3 возбуждения) за счет уменьшения времени tg с момента включения тиристора 24 (-2.5) до момента включения тиристора 26(27) При этом надежность включения каждого тиристора двухполупериодного

выпрямителя 15 обеспечивается тем,ной тока в обмотке 2 якоря, то возчто время приложения обратного напря-можно автоматическое выключение ти- жения к каждомуиз них ( в том числеристоров 36 и 37, 38 и 35 за счет паесли это напряжение равно падению 25дения напряжения на обмотке 3 вознапряжения на открытом тиристоре)буждения, если оно превышает напряравно периоду регулирования Т. Выбором определенного значения ко эффициента трансформации К трансформатора 18 при регулировании тока is, в обмотке 3 возбуждения досгигается возможность обеспечения этого ток как меньшего, так и большего, чем ток ig. обмотки 2 якоря. Вследствие этого, при необходимости5 могут реализованы значительные пусковые или тормозные моменты5 а также снижена скорость окончания эффективного электродинамического торможения а Начальное подвозбуждение тягового электродвигателя 1 при рекуперативном торможении транспортного средства на фиг. 4 характерно тем, что для этой цели используется дополнительньш источник 34 напрял ения, вследствие чего возбуждение тягового электродвигателя 1 в начале торможения транспор тного средства происходит даже при отсутствии питающего напряжения источ ника 33, что повьшает надежность и стабильность электродинамического торможения транспортного средства. Начальное подвозбуждение тягового электродвигателя 1 осуществляется от дополнительного источника 34 напряжения без трансформации энергии, подводимой к обмотке 3 возбуждения с помощью тиристорного прерывателя и 1 трансформатора 18t За счет попарного включения тиристоров 36 и 3/ пли 35 и 38 начальный ток по обмотке 3 возбуждения можно пропускать в любом требуемом направлении (.если, например, рекуперативное торможение транспортного средства необходимо осуществлять при любом направлении его движения). Причем мощность дополнительного источника 34 напряжения в данном случае меньше, так как его напряжение можно выбирать по. величине UOA Ц- Гд (где ig требуемый начальный ток подвозбуждения обмотки 3 возбуждения) т.е. становится воэможным уменьшать сопротивление г ограничительного резистора 40 практически до нуля. Кроме того, если самовозбуждение тягового электродвигателя 1 произошло и ток в обмотке 3 возбуждения определяется уже величижение дополнительного источника 34 напряженияS Поэтому вспомогательный контактор 39 в процессе торможения можно не отключать и тем самым обеспечить дополнительное подвозбуждение тягового электродвигателя 1 в конце торможения, снижая тем самым скорость окончания эффективного электродинамического торможения. Дополнительная обмотка -31 транс- . форматора 18 (фиг. 3) выбирается таким образом, чтобы напряжение на выходах вспомогательного двухйолупериодного выпрямителя 28 по постоянному току было равно минимальному допустимому напряжению , источника 33 питания при наличии падения напряжения на активном сопротивлении гд, обмотки 3 возбуждения тягового электродвигателя 1 от тока в ней, равного максимальному заданному току isrvxxx К-12тсхч К К - коэффициент трансформации трансформатора 18 по току, К Таким образом, Urviln Wto SiMoy 3 где , Wjo , Wji - число витков обмоток 19, 20, 31 трансформатора 18. П. Таким образом, во всех переходньк режимах и в режиме регулироуачия воз буждения, когда ток io, обмотки 3 возбулодения меньше тока К-ij происходит сброс энергии в конденсатор 13 входного фильтра, что приводит к снижению токов через резистор 14 и уменьшению напряжения на вентилях двухполупериодного выпрямителя. Это позволяет снизить установленную мощность двухполупериодного вьтрямителя 15 и трансформатора 18. Таким образом, применение на тран спортном средстве электропривода с ж

(pi/e.i 01 трансформаторной развязкой при питании обмотки возбуяздения тягового электродвигателя реализуемо{1 за счет использования специфических свойств тиристорного прерывателя, дает возможность при уменьшении общего количества устанавливаемого тягового электрооборудования и в toM числе требуемой контактной аппаратуры, повысить технологичность его изготовления, надежность в условиях эксплуатации, а также эффективность электродинамического торможения .

(pas. I

фиг.З

фиеЛ

gDi/.5

1.ЭЛЕКТРОПРИВОД ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащий тяговый электродвигатель с обмоткой якоря и обмоткой возбуждения, сглаживающий реактор и тиристорный прерыватель, состоящий из четырех тиристоров, соединенных по мостовой схеме с коммутирующим конденсатором в диагонали, обратные вентили, подключенные одними электродами к выводам этой диагонали, а другими - к первому выводу обмотки якоря тягового электродвигателя через пусковой контактор и к обкладке конденсатора входногоХСфильтра, другая обкладка которого соединена с объединенными электродами тиристоров прерывателя, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик транспортного средства nyteM снижения массогабаритных показателей тягового электродвигателя в него введейы резистор, двухполупериодный вьтрямитель и трансформатор, первичная обмотка которого включена между одноименными электродами тиристоров прерывателя подключенных другими электродами к одноименным электродам обратных вентилей, а ее средняя точка соединена с вторьм выводом обмотки якоря тягового электродвигателя через сглаживающий реактор, при этом обмотка возбуждения тягового электродвигателя подключена через двухполупериодный вьтрямитель к вторичной обмотке трансформатора, шунтированной резистором. 2.Электропривод по п.1, отличающийся тем, что, с целью (Л повышения надежности и расширения диапазона регулирования скорости транспортного средства, в него i Q введены последовательно соединенные вспомогательный контактор и ограничительный резистор, шунтирующие пусковой контактор, диод, один электрод которого соединен с первьм выводом СГ5 обмотки якоря электродвигателя, другой - с объединенными электродами тиристоров прерывателя, вентили двухполупериодного выпрямителя выполнены в виде тиристоров и при этом каждый из них шунтирован дополнительно введенным тиристором, включенным встречно. 3.Электропривод по п.1, о т л и чающийся тем, что, с целью повьппения КПД электропривода, в него введен дополнительный двухполупериодный выпрямитель, а трансформатор выполнен с дополнительной обмоткой.