ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2299512

АСИНХРОННЫЙ ТЯГОВЫЙ ПРИВОД ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

АСИНХРОННЫЙ ТЯГОВЫЙ ПРИВОД ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

Имя изобретателя: Малютин Владимир Алексеевич (RU); Лысов Николай Владимирович (RU); Ковтун Алексей Владимирович (RU); Литовченко Виктор Васильевич (RU); Кудрявцев Михаил Петрович (RU); Золотников Николай Александрович (RU); Шелест Виктор Иванович (RU) 
Имя патентообладателя: Российское открытое акционерное общество "Высокоскоростные магистрали" (RU)
Адрес для переписки: 198260, Санкт-Петербург, пр. Ветеранов, 78, кв.57, М.М.Кузьмину
Дата начала действия патента: 2004.11.22 

Заявителем предложена конструкция асинхронного тягового привода электропоезда, содержащего асинхронные тяговые электродвигатели, снабженные системой питания с инверторами тока. Отличительной особенностью его является то, что система питания состоит из входного однозвенного фильтра, состоящего из реактора (Lф), подключенного к контактной сети через быстродействующий выключатель (БВ) и пневматический контактор (ПК-1) и установленный параллельно ему резистор (R3), и двух последовательно соединенных конденсаторов (Сф1) и (Сф2), параллельно каждому из которых подключен тиристорный ограничитель напряжения (ТОН1) и (ТОН2), последовательно каждому из которых подключен тормозной резистор (Rt1) и (Rt2) соответственно, положительная обкладка конденсатора (Сф1) соединена со входом тиристорного прерывателя (ТП1), а отрицательная обкладка конденсатора (Сф2) - с выходом тиристорного прерывателя (ТП2), причем выход тиристорного прерывателя (ТП1) и вход тиристорного прерывателя (ТП2) подключены через соответствующие обратные диоды (VD15) и (VD25) к средней точке конденсаторной батареи (Сф1-Сф2), к выходу тиристорного прерывателя (ТП1) через сглаживающий реактор (Lc1) подключен вход автономного инвертора тока (АИТ1), выход которого через пневматический контактор (ПК-2) и параллельную цепь резистор (Rt3) - тиристоры (VS71.2) - (VS71.1) - резистор (Rt4), соединен со входом автономного инвертора тока (АИТ2), который выполнен аналогично, в виде трех цепей последовательно включен автономный инвертор тока (АИТ2), выход которого через сглаживающий реактор (Lc2) соединен со входом тиристорного прерывателя (ТП2), выход автономного инвертора (АИТ1) соединен с положительной обкладкой конденсатора (Сф1) посредством диода (VD12), а вход автономного инвертора тока (АИТ2) через диод (VD22) соединен с отрицательной обкладкой конденсатора (Сф2). Технический результат - улучшение характеристик устройства.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится асинхронным тяговым приводам на основе инверторов тока и предназначено для использования, например, в электропоездах.

В известных схемах силовых цепей электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями на основе автономных инверторов напряжения характерно использование быстродействующих тиристоров со временем выключения 50...63 мкс или запираемых тиристоров, быстровосстанавливающихся диодов со временем обратного восстановления до 10 мкс, частотных коммутирующих конденсаторов и коммутирующих реакторов с высокой добротностью для узлов принудительной конденсаторной коммутации. Тиристоры и диоды должны быть рассчитаны на импульсные токи, в 3...4 раза превышающие средние значения. Скорости нарастания напряжения могут достигать 500...1000 В/мкс, а скорость изменения тока - 50...100 А/мкс. Для ограничения скоростей изменения токов и напряжений необходимо применять специальные средства, которые могут в 1,5 раза увеличить повторяющиеся напряжения на полупроводниковых приборах преобразователя.

Для схем с автономными инверторами напряжения характерно тяжелое протекание аварийных режимов при "опрокидывании" инвертора, так как при этом конденсатор фильтра разряжается на аварийную фазу, а асинхронный двигатель переходит в режим трехфазного короткого замыкания со всеми вытекающими из этого последствиями. Простота схем тягового привода с использованием автономных инверторов напряжения встречает определенные трудности в обеспечении электромагнитной совместимости с системой энергоснабжения, сигнализации, связи и железнодорожной автоматики. Так, масса фильтра (конденсатора и реактора) может в 1.5...2 раза превышать массу непосредственно преобразователя частоты.

Известны асинхронные тяговые приводы на основе инверторов тока. В тяговых приводах с инверторами тока упомянутые недостатки устранены.

В схемах с автономными инверторами тока могут использоваться тиристоры и диоды среднего и малого быстродействия со временем выключения тиристоров 300...500 мкс. Тиристоры и диоды нагружены прямоугольными импульсами тока с амплитудой, не превышающей среднего значения тока промежуточного звена постоянного тока. Скорость изменения прямого напряжения на тиристорах и обратного напряжения на диодах не превышает 10...50 В/мкс, а скорость изменения тока может быть ограничена величиной 30-50 А/мкс. Коммутирующие конденсаторы могут быть среднечастотными со временем полного перезаряда 0,5...1,5 мс. Одним из основных недостатков схем с автономными инверторами тока является наличие больших перенапряжений на его элементах, превышающих в 2...3 раза напряжение на двигателе, что требует применения высоковольтных тиристоров, диодов и конденсаторов. Однако аварийные режимы в схеме с автономными инверторами тока имеют более легкий характер протекания, так как включенный последовательно с инвертором реактор ограничивает скорость нарастания аварийного тока, а асинхронный двигатель не подвергается воздействию ударных токов короткого замыкания.

Хотя схема автономного инвертора тока является предельно простой, для асинхронного тягового привода необходим дополнительный входной преобразователь, что в целом усложняет преобразовательную установку. Наличие входного преобразователя, хотя и увеличивает установленную мощность электрооборудования, тем не менее, вносит в процесс преобразования энергии ряд положительных моментов: снижается или полностью устраняется влияние изменения напряжения в контактной сети на работу выходного преобразователя (инвертора); снижается мешающее влияние выходного преобразователя на питающую сеть; имеется возможность понизить напряжение на выходных преобразователях, обеспечив наилучшее согласование напряжения в промежуточном звене с предельными параметрами; упрощается решение вопросов защиты тягового привода от аварийных режимов. И, хотя масса и габариты непосредственно преобразователя на основе автономного инвертора тока больше, чем на основе автономного инверторе, напряжения, суммарные массы электрооборудования при равной мощности нагрузки в двух вариантах оказываются практически равными.

Наиболее часто используют автономные инверторы тока для городского электрического транспорта (трамваи, троллейбусы, метро), а также электропоездов городской железной дороги и пригородных электропоездов.

Известно, что фирма AEG - Telefunken в 1979-80 г.г. переоборудовала двухчастотный электровоз Государственных железных дорог ФРГ серии 182001 для испытаний электрооборудования тягового привода с асинхронными двигателями и преобразователями на основе автономного инвертора тока [1]. В качестве входного преобразователя использован уже опробованный на электроподвижном составе с коллекторными двигателями выпрямитель по двухполупериодной мостовой схеме с полууправляемыми плечами и искусственной коммутацией. Эта схема позволяет без дополнительных затрат на силовые полупроводниковые приборы или коммутирующие цепи переключаться в тормозной режим с резисторным регулятором. Считалось, что рекуперативное торможение при дополнительных затратах на тиристоры и электронику управления дает при работе электровоза малую экономию энергии. Поэтому от режима рекуперативного торможения сознательно отказались. Тяговый трансформатор имеет соответствующие отпайки для возможности работы электровоза от контактной сети переменного напряжения 15 кВ, 16 2/3 Гц и 25 кВ, 50 Гц. Другим достоинством принятой схемы выпрямителя является возможность использования второго моста преобразователя в режиме торможения для возбуждения асинхронного двигателя.

Для прямого переключения из режима тяги в режим торможения ток в промежуточном звене сохраняют на короткое время с помощью регулятора тока. При таком переключении возможно обеспечить появление тормозном силы за время менее чем 1 с. Тормозной регулятор работает с постоянной частотой 44 Гц. Диапазон регулирования величины тормозного резистора - от 95% до 5% его номинального значения.

В автономном инверторе тока использовано последовательное соединение двух среднечастотных тиристоров. В настоящее время возможно уменьшение до одного мощного тиристора.

Преобразовательная установка на основе автономного инвертора тока из-за своей простоты конструкции и малой стоимости дает хорошие предпосылки для возможно более экономичного внедрения асинхронных тяговых двигателей на электроподвижном составе.

Известен электровоз "Шкода" третьего поколения - заводской прототип 85ЕО с асинхронными тяговыми двигателями [2]. Питание осуществляется от контактной сети постоянного напряжения 3 кВ. Компоновка преобразователей определяется при мощности тягового двигателя 800-900 кВт оптимальным выбором параметров силовой части привода при использовании минимального количества полупроводников. Принята схема, в которой два асинхронных двигателя одной тележки питаются от одного инвертора. Схемы питания двигателей обеих тележек выполнены одинаковыми. Общим является входной фильтр. Кроме входных импульсных прерывателей, автономных инверторов тока и асинхронных тяговых двигателей, в схему включены сглаживающие реакторы в промежуточных звеньях, коммутирующие конденсаторы преобразователей, а также входной фильтр с тиристорной защитой короткого замыкания и соответствующие контакторы. Такая схема обеспечивает также работу привода в тормозном режиме при реостатном торможении, а в случае необходимости может быть введено и рекуперативное торможение.

Для электровоза "Шкода" предполагается применение асинхронных тяговых двигателей в двух вариантах исполнения. В первом варианте используется тихоходный двигатель с непосредственным приводом оси колесной пары без редуктора и мощностью длительного режима 650...700 кВт. Во втором варианте применяется быстроходный асинхронный двигатель с одноступенчатым редуктором и мощностью 800...900 кВт.

Полупроводниковые преобразователи охлаждаются маслом. Конструктивно преобразователи состоят из двух блоков с самостоятельной системой охлаждения. В импульсных прерывателях применяются быстродействующие главные и коммутирующие тиристоры по 5 последовательно. В инверторах включены последовательно 5 тиристоров и 4 диода. В общей сложности в преобразователе одной секции электровоза установлено 50 тиристоров и 32 диода, в локомотиве в целом - 100 тиристоров и 64 диода.

В схему преобразователей входят также соответствующие элементы (дроссели, конденсаторы) и цепи защиты полупроводниковых приборов с принудительным воздушным охлаждением. Широтно-импульсное регулирование входных преобразователей производится с частотой 100 и 300 Гц. Выходная частота тока инверторов изменяется в диапазоне 0,5...75 Гц (или 0,5...120 Гц) при максимальной скорости электровоза 120 км/ч.

Известны электропоезда фирмы Ganz с асинхронными двигателями, питаемыми от инверторов тока [2]. В 1989 г. в Венгрии были введены в эксплуатацию 10 четырехвагонных электропоездов с одним моторным вагоном, рассчитанных на питание от контактной сети переменного напряжения 25 кВ, 50 Гц. Использован групповой привод двух осей тележки одним асинхронным двигателем. Мощность тяговых двигателей (двух) моторного нагона составляет 1444 кВт. Максимальная скорость электропоезда равна 120 км/ч. Пятиплечий двухзонный управляемый выпрямитель, выполненный с воздушным охлаждением, обеспечивает в промежуточном звене номинальное напряжение 772 В и номинальный ток 1250 А. Масса выпрямителя - 920 кг, а автономного инвертора тока - 950 кг. При пуске поезда для снижения пульсации момента асинхронного тягового двигателя применяется специальный метод регулирования преобразователя "интертакт" при изменении частоты тока статора от 0,5 до 6 Гц. С помощью модуляции выходного тока выпрямителя по заданному закону внутри тактов работы инвертора достигается уменьшение пульсации электромагнитного момента тягового двигателя.

Известен электропоезд серии Z20500 (Франция) [3] с асинхронными тяговыми двигателями, рассчитанными на питание от контактной сети переменного напряжения 25 кВ, 50 Гц и постоянного напряжения 1,5 кВ. Преобразование параметров электрической энергии выполняется по традиционной двухступенчатой схеме: импульсный прерыватель - автономный инвертор тока.

В случае питания от контактной сети переменного тока роль источника постоянного напряжения выполняет выпрямитель, обеспечивающий на входе импульсного прерывателя постоянное напряжение 1,5 кВ. Выпрямитель выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных однофазных "мостов" для обеспечения тягового и рекуперативного режимов работы и подключен ко вторичной обмотке трансформатора мощностью 1700 кВА. Масса трансформатора - 2410 кг. Особенностями схемы являются:

- последовательное соединение инверторов тока с целью снижения напряжения на коммутирующих конденсаторах;

- введение в схему импульсного прерывателя "нониусного" тиристора, обеспечивающего "амплитудное" регулирование напряжения на выходе прерывателя и расширяющего диапазон регулирования напряжения;

- использование тормозного тиристора, позволяющего осуществлять бесконтакторный переход из режима тяги в режим торможения.

Применение "нониусного" тиристора позволило поднять частоту работы импульсного прерывателя до 600 Гц без ухудшения регулировочных свойств преобразователя.

На моторном вагоне электропоезда установлено 4 тяговых двигателя мощностью 375 кВт каждый при частоте вращения 1460 об/мин. Максимальная частота вращения - 3355 об/мин. Масса двигателя 1380 кг, что на 460 кг меньше, чем аналогичного двигателя постоянного тока.

Двигатели каждой тележки соединены последовательно через инверторы и подключены через реакторы 5 мГн к импульсному прерывателю. Питание двигателей второй тележки осуществляется аналогично. Входной индуктивно-емкостной фильтр установлен один на вагон и используется при работе от контактной сети постоянного 1,5 кВ и переменного 25 кВ напряжения. Индуктивность входного реактора 9,5 мГн. Для снижения пульсации момента при низких скоростях используется широтно-импульсная модуляция тока с переменной кратностью от 36 при V=0 км/ч до 12 при V=12,5 км/ч. Конструктивно все оборудование выполнено в виде ряда блоков по функциональному признаку.

Известна схема силовых цепей электропоезда Венского метро [3], в которой импульсный прерыватель выполнен полностью на запираемых тиристорах. Кроме того, ключ регулятора тормозного резистора также выполнен на запираемом тиристоре. Импульсный прерыватель рассчитан на максимальный ток 1120 А и длительный 720 А. Частота коммутаций прерывателя составляет 250 Гц. Автономный инвертор тока имеет на выходе максимальное напряжение 700 В и ток 875 А при изменении частоты тока статора в диапазоне 0,2...200 Гц. Максимальная мощность четырех асинхронных тяговых двигателей, подключенных к одному инвертору, составляет 570 кВт. Типовая мощность инвертора равна 760 кВА.

Среди отечественных разработок подвижного состава однофазного напряжения промышленной частоты с АТД следует отметить электропоезд ЭН3, выпущенный Новочеркасским электровозостроительным заводом [4].

В силовой схеме моторного вагона электропоезда ЭН3 тяговый электропривод включает в себя две силовые преобразовательные установки, питающие тяговые двигатели каждой тележки. Преобразовательная установка одной тележки состоит из выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП1 (ВИП2) и инвертора тока с отсекающими диодами АИТ1 (АИТ2). Входные и выходные преобразователи силовой схемы выполнены на базе отечественных тиристоров и диодов и содержат узлы принудительной коммутации. Каждая преобразовательная установка имеет свою собственную функционально независимую систему автоматического регулирования. Защита электрооборудования от токов короткого замыкания и отключение при неисправностях осуществляется главным выключателем QF1. Для снижения уровня радиопомех, создаваемых при работе электрооборудования, во входную цепь включены дроссель L1 и фильтр Z1. Преобразовательная установка одной тележки питается от собственной вторичной обмотки тягового трансформатора Т1 через разъединители QS1, QS2. В цепь между выпрямителем и инвертором включены сглаживающие реакторы L 2, L3 и быстродействующие выключатели QF2, QF3. Схема электропривода обеспечивает разгон электропоезда с переходом из одной зоны регулирования ВИП в другую при плавном изменении силы тяги и рекуперативного торможения.

Последняя разработка может служить в качестве прототипа предлагаемому устройству.

Задачей, решаемой предлагаемой схемой асинхронного тягового привода, является улучшение характеристик устройства.

Для решения поставленной задачи асинхронный тяговый привод электропоезда, содержащий асинхронные тяговые электродвигатели, снабжен системой питания с инверторами тока.

На фиг.1 изображена схема асинхронного тягового привода, на фиг.2 представлен алгоритм тиристорного прерывателя (ТП1) в режиме фазоимпульсной модуляции, а на фиг.3 - результаты математического моделирования ТП1 в режиме фазоимпульсной модуляции. На фиг.4 представлен алгоритм ТП1 в режиме широтно-импульсного регулирования, а на фиг.5 - результаты математического моделирования ТП1 в режиме широтно-импульсного регулирования.

схема асинхронного тягового привода

Упомянутая система питания состоит из входного однозвенного фильтра, состоящего из реактора Lф 1, подключенного к контактной сети через быстродействующий выключатель БВ 2 и пневматический контактор ПК-1 3 (с параллельным резистором R3), и двух последовательно соединенных конденсаторов Сф1 4 и Сф2 5, параллельно каждому из которых подключен тиристорный ограничитель напряжения ТОН1 6 и ТОН2 7, последовательно каждому из которых подключен тормозной резистор Rt1 8 и Rt2 9 соответственно, положительная обкладка конденсатора Сф1 4 соединена со входом тиристорного прерывателя ТП1 10, а отрицательная обкладка конденсатора Сф2 5 - с выходом тиристорного прерывателя ТП2 11, причем выход тиристорного прерывателя ТП1 10 и вход тиристорного прерывателя ТП2 11 подключены через соответствующие обратные диоды VD15 12 и VD25 13 к средней точке конденсаторной батареи Сф1-Сф2, к выходу тиристорного прерывателя ТП1 10 через сглаживающий реактор Lc1 14 подключен вход автономного инвертора тока АИТ1 15, последовательно с которым через пневматический, контактор ПК-2 16 включен автономный инвертор тока АИТ2 17, выход которого через сглаживающий реактор Lc2 18 соединен со входом тиристорного прерывателя ТП2 11, выход автономного инвертора АИТ1 15 соединен с положительной обкладкой конденсатора Сф1 4 посредством диода VD12 19, а вход автономного инвертора тока АИТ2 17 через диод VD22 20 соединен с отрицательной обкладкой конденсатора Сф2 5. При этом каждый тиристорный ограничитель напряжения ТОН1 6 и ТОН2 7 выполнен в виде главного тиристора VS12 119 (VS22) 120, последовательно соединенного с реактором L12 21 (L22) 22, параллельно которым подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора Ck11 23 (Ck21) 24, тиристора VS11 25 (VS21) 26 и реактора L11 27 (L21) 28, параллельно тиристору VS11 25 (VS21) 26 подключена цепь из последовательно соединенных диода VD11 29 (VD21) 30 и реактора L10 31 (L20) 32, причем анод тиристора VS11 25 (VS21) 26 соединен с катодом диода VD11 29 (VD21) 30.

Тиристорные прерыватели ТП1 10 и ТП2 11, каждый из которых выполнен в виде двух параллельно включенных цепей: одна из которых включает в себя тиристор VS13 33 (VS23) 34, реактор L14 35 (L24) 36, тиристор VS17 37 (VS27) 38, а другая - тиристор VS14 39 (VS24) 40, реактор L15 41 (L25) 42 и тиристор VS15 43 (VS25) 44, параллельно тиристорам VS13 33 (VS23) 34, VS14 39 (VS24) 40 подключены диоды VD13 45 (VD23) 46 и VD14 47 (VD24) 48 соответственно, причем анод тиристора VS13 33 (VS23) 34 соединен с катодом диода VD13 45 (VD23) 46 и анод тиристора VS14 39 (VS24) 40 соединен с катодом диода VD14 47 (VD24) 48, к катодам тиристоров VS13 33 (VS23) 34 и VS14 39 (VS24) 40 подключена коммутирующая цепь, состоящая из последовательно включенных конденсатора Ск12 49 (Ск22) 50 и реактора L13 51 (L23) 52, к анодам тиристоров VS17 37 и VS15 43 подключена цепь из двух последовательно подключенных тиристоров VS18.1 53 и VS18.2 54, аноды которых соединены между собой, а катоды подключены к анодам тиристоров VS17 37 и VS15 43 соответственно, причем к анодам тиристоров VS17 37 и VS15 43 подключены катоды тиристоров VS18.1 53 и VS18.2 54, к катодам тиристоров VS27 38 и VS25 46 подключена цепь из двух последовательно подключенных тиристоров VS28.1 55 и VS28.2 56, катоды которых соединены между собой, аноды подключены к катодам тиристоров VS27 38 и VS25 44 соответственно, аноды тиристоров VS18.1 53 и VS18.2 54 через реактор L16 57 подключен к средней точке конденсаторов фильтра Сф1 4, Сф2 2, к которой через реактор L26 58 подключены катоды тиристоров VS28.1 55 и VS28.2 56, а к катодам тиристоров VS27 38 и VS25 44 подключены аноды тиристоров VS28.1 55 и VS28.2 56, аноды тиристоров VS18.1 53 и VS18.2 54 (катоды тиристоров VS28.1 55 и VS28.2 56) соединены между собой.

Кроме того, автономный инвертор тока АИТ1 15 выполнен в виде трех цепей последовательно соединенных реакторов L31 59, L33 60, L35 61, тиристоров VS31 62, VS33 63, VS35 64 и диодов VD31 65, VD33 66, VD35 67, соединенные с фазами асинхронных двигателей ДТА3 68 и ДТА4 69, а между собой фильтрами Си 11 70, Си 12 71, Си 13 72, упомянутые цепи продолжены и снабжены последовательно соединенными диодами VD34 73, VD36 74, VD32 75, тиристорами VS34 76, VS36 77, VS32 78 и реакторами L34 79, L36 80, L32 81 и соединены между собой фильтрами Си 14 82, Си 16 83, Си 15 84, и все вместе - с выходом АИТ1 15, который через пневматический контактор ПК-2 16, параллельно которому установлена цепь резистор Rt3 85 - тиристоры VS71 87, VS72 86 - резистор Rt4 88, соединен со входом автономного инвертора тока АИТ2 17, который выполнен аналогично в виде трех цепей последовательно соединенных реакторов L41 89, L43 90, L45 91, тиристоров VS41 92, VS43 93, VS45 94 и диодов VD41 95, VD43 96, VS45 97, соединенных между собой фильтрами Си21 98, Си23 99, Си22 100 и с фазами других асинхронных двигателей ДТА1 101 и ДТА2 102, далее цепи продолжены и снабжены последовательно соединенными диодами VD44 103, VD46 104, VD42 105, и тиристорами VS44 106, VS46 107, VS42 108, и реакторами L44 109, L46 110, L42 111, и соединены между собой фильтрами Си24 112, Си26 113 и Си25 114, а все вместе - с выходом АИТ2 17.

Существенным достоинством заявленной схемы по сравнению с аналогичными разработками являются значительно меньшая стоимость благодаря максимальному использованию серийных компонентов, а также возможность формирования состава из вагонов с асинхронным приводом и серийных вагонов.

Электрическая схема и позволяют реализовать следующие режимы работы:

- плавный пуск электропоезда посредством регулирования частоты и напряжения асинхронных тяговых двигателей (АТД);

- изменение интенсивности разгона электропоезда;

- изменение направления движения;

- реостатное торможение в случае отсутствия потребителя в контактной сети или рекуперативно-реостатное торможение при наличии приема электроэнергии контактной сетью до скорости 15 км/ч;

- замещение электрического тормоза электропневматическим тормозом в случае неисправности;

- автоматическое дотормаживание электропоезда электропневматическим тормозом от скорости 15 км/ч до полной остановки;

- совместное электрическое торможение моторными вагонами с электропневматическим торможением прицепными вагонами;

- поддержание постоянного момента АТД в диапазоне скоростей от 0 до 60 км/ч и поддержание постоянной мощности в диапазоне скоростей выше 60 км/ч.

Устройство работает следующим образом

Высокое напряжение питающей сети постоянного тока через пантограф подается на линию высокого напряжения на крыше вагона. Через быстродействующий выключатель БВ 2, защищающий силовую схему от токовых перегрузок, питающее напряжение поступает на входной LC-фильтр. Конденсатор входного фильтра состоит из двух последовательно соединенных групп Сф1 4 и Сф2 5. Напряжение на каждой группе конденсаторов составляет половину напряжения сети.

Силовой контактор ПК-1 3 обеспечивает оперативное отключение нагрузки. Контактор размыкается с выдержкой времени после запирания всех тиристорных преобразователей. Контактор шунтирован резистором Rз, который служит для обеспечения нерезонансного заряда конденсаторов фильтра при включении быстродействующего выключателя.

Контактор ПК-2 16 в режиме тяги работает синхронно с контактором ПК-1 3, а в режиме электродинамического торможения остается разомкнутым.

Режим тяги

R3

После включения БВ 2 начинается предварительный заряд конденсаторов входного фильтра по цепи: токоприемник - БВ 2 - зарядный резистор Rз -реактор входного фильтра Lф 1 - датчик входного тока - Сф1 4 - Сф2 5 - рельс. При увеличении напряжения на конденсаторах входного фильтра до значения 1900 В начинают работать цепи подготовительного заряда конденсаторов АИТ, которые обеспечивают постоянный подзаряд конденсаторов АИТ для обеспечения первой коммутации тиристоров. При включении контроллера машиниста в одно из ходовых положений замыкаются поездные контакторы ПК-1 3 и ПК-2 16. После этого начинается предварительный заряд коммутирующих конденсаторов. Для этого подаются управляющие импульсы на тиристоры VS13 33, VS15 43, VS31 62, VS34 76, VS41 92, VS44 106, VS27 38, VS24 40. Коммутирующие конденсаторы Ск12 49 ТП1 10 и Ск22 50 ТП2 11 заряжаются до напряжения Uc/2.

алгоритм тиристорного прерывателя (ТП1) в режиме фазоимпульсной модуляции

результаты математического моделирования ТП1 в режиме фазоимпульсной модуляции

По окончании выдержки времени, необходимой для подготовительного заряда конденсаторов, ТП начинают работать в режиме фазоимпульсной модуляции. Работу ТП в этом режиме иллюстрируют фиг.2, 3. При повышении тока реакторов Lc1 14 и Lc2 18 определенного уровня ТП автоматически переходит в режим широтно-импульсного регулирования. Импульсы управления и осциллограммы режима широтно-импульсного регулирования приведены на фиг.4, 5.

алгоритм ТП1 в режиме широтно-импульсного регулирования

результаты математического моделирования ТП1 в режиме широтно-импульсного регулирования.

На тиристоры АИТ VS31 62, VS34 76, VS41 92, VS44 106 продолжают подаваться управляющие импульсы. Этот режим длится 20 мс, в течение которых устанавливается ток в сглаживающих реакторах Lc1 и Lc2. Тяговые двигатели не работают, т.к. их обмотки зашунтированы открытыми плечами инверторов VS31 62, VS34 76 и VS41 92, VS44 106.

Для включения в работу тяговых двигателей необходимо включить тиристоры VS32 78 и VS42 108 при движении вперед, VS36 77 и VS46 107 - при движении назад. При движении вперед в АИТ1 15 после открытия VS32 78 тиристор VS34 76 запирается, а VS31 62 остается включенным; начинается работа АИТ по алгоритму, приведенному в таблице.

Таблица
Алгоритм управления тиристорами АИТ
Нарастание тока в Ld Движение вперед Движение назад
АИТ1 АИТ2 АИТ1 АИТ2
  VS31, VS32 VS41, VS46 VS31, VS36 VS41, VS42
VS32, VS33 VS46, VS45 VS36, VS35 VS42, VS43
VS33, VS34 VS45, VS44 VS35, VS34 VS43, VS44
VS31, VS34, VS34, VS35 VS44, VS43 VS34, VS33 VS44, VS45
VS41, VS44 VS35, VS36 VS43, VS42 VS33, VS32 VS45, VS46
  VS36, VS31 VS42, VS41 VS32, VS31 VS46, VS41
VS31, VS32 VS41, VS46 VS31, VS36 VS41, VS42

В режиме тяги контакторы ПК-1 3 и ПК-2 16 замкнуты, асинхронные тяговые двигатели (АТД) каждой тележки моторного вагона питаются от своего автономного инвертора тока (АИТ1 15 и АИТ2 17). При этом силовой ток моторного вагона протекает по следующей цепи: токоприемник - БВ-2 - ПК-1 3 - реактор фильтра Lф 1 - ТП1 10 - реактор инвертора Lc1 14 - АИТ1 15 - ПК-2 16 - АИТ2 17 - реактор инвертора Lc2 18 - ТП2 11 - заземляющее устройство (ЗУ) 118 - рельс.

До момента времени, пока максимальное значение выпрямленных фазных напряжений инверторов не превысит порогового значения, абсолютное скольжение Sнач задается постоянным в зависимости от положения рукоятки контроллера машиниста и составляет от 0,75 Гц до 1 Гц в тяге и 0,56 Гц в режиме электродинамического торможения (ЭДТ). К значению абсолютного скольжения добавляется (в режиме ЭДТ вычитается) значение частоты вращения ротора f ДС (в тяге - минимальное, в режиме ЭДТ - максимальное значение из подключенных к МПСУ датчиков скорости). Полученная таким образом частота поля статора передается на микросхему программируемой логики ALTERA, которая формирует импульсы управления тиристорами АИТ. Для разгона электропоезда частота АИТ постепенно увеличивается.

При низких скоростях движения (до 23 км/ч) для улучшения гармонического состава потребляемого электропоездом тока оба АИТ работают синхронно с фазовым сдвигом друг относительно друга на 30 электрических градусов. При увеличении скорости движения электропоезда свыше 23 км/ч для равномерной загрузки асинхронных двигателей при разных диаметрах бандажей колесных пар каждый АИТ управляется по собственной измеренной величине Э.Д.С.

Величина тока статора АТД стабилизируется широтно-импульсными преобразователями ТП1 10 и ТП2 11. Каждому положению контроллера машиниста соответствует определенная уставка тока сглаживающего реактора Lc. ТП автоматически, за счет обратной связи, поддерживает такое напряжение на выходе, которое необходимо для поддержания заданного контроллером машиниста тока сглаживающего реактора.

Увеличение частоты вращения тяговых двигателей с постоянным значением момента на валу происходит до скорости 55-60 км/ч. При скорости выше 55-60 км/ч ТП выходит на верхний предел регулирования коэффициента заполнения. После этого МПСУ продолжает увеличивать частоту АИТ, поддерживая уровень открытого состояния ТП на максимальном уровне. Этот режим обеспечивает режим постоянной мощности на валах АТД.

Переход из режима тяги на выбег

Переход из режима тяги в выбег предполагает отключение тяговых двигателей от инвертора тока без прерывания тока в сглаживающем реакторе. Это обеспечивается сквозным открытием тиристоров одной фазы АИТ и плавным снижением тока сглаживающих реакторов при помощи импульсных прерывателей.

Режим торможения

Переход в режим электрического торможения осуществляется по команде контроллера машиниста. В этом режиме АТД становятся источниками энергии, а АИТ преобразуют трехфазный ток в выпрямленный.

Переход в режим торможения осуществляется при разомкнутом контакторе ПК-2 16 подачей управляющего импульса на тиристор VS71. Таким образом, увеличение тока сглаживающих реакторов осуществляется по цепи: контактная сеть - БВ 2 - ПК-1 3 - ТП1 10 - Lc1 14 - АИТ1 15 - фаза А - фаза С - резисторы Rt3 85 - тиристор VS71 87 - резисторы Rt4 88 - АИТ2 17 - фаза В - фаза А - Lc2 18 - ТП2 11 - ЗУ 118. При этом частота работы инверторов такова, что обеспечивается отрицательная величина скольжения АТД.

После перехода АТД в генераторный режим, тиристор VS71 87 закрывается, разрывая связь между АИТ1 15 и АИТ2 17. Для запирания VS71 87 предусмотрен контур коммутации, содержащий тиристор VS72 86 и заряженный до напряжения контактной сети конденсатор Ск71 113.

В режиме торможения ТП продолжают работать так же, как и в режиме тяги. Во время открытого состояния соответствующего ТП выпрямленный ток инверторов протекает следующим образом:

- "+АИТ1" - ограничительный реактор L 18 117 - диод VD 12 19 - ТП1 10 - реактор Lcl 14-"-АИТ1";

- "+АИТ2" - реактор Lc2 18 - ТП2 11 - диод VD22 20 - "- АИТ2".

В период паузы ТП выпрямленный ток протекает через соответствующую группу конденсатора фильтра Сф. При этом происходит дозаряд конденсатора по следующей цепи:

- "+АИТ 1" - ограничительный реактор L 18 117 - диод VD 12 19 - Сф 1 4 - ограничительный реактор L17 115 - обратный диод VD15 12 - реактор Lc1 14 -"-АИТ1";

- "+АИТ2" - реактор Lc2 18 - обратный диод VD25 13 - ограничительный реактор L27 116 - Сф2 5 - диод VD22 20 - "- АИТ2".

Когда суммарное напряжение на конденсаторах входного Сф1 4 и Сф2 5 фильтра превысит напряжение контактной сети, начинается рекуперация энергии в сеть при наличии потребителя на участке. Если потребитель на участке отсутствует, то при достижении суммарного напряжения на конденсаторах Сф1 4 и Сф2 5 величины 4000 В включаются ТОН1 6 и ТОН2 7. При этом энергия АТД рассеивается на резисторах Rt1 8 и Rt2 9.

При скорости движения менее 15 км/ч схема электрического торможения автоматически отключается, происходит дотормаживание поезда электропневматическим тормозом до полной остановки поезда.

Заявителем разработан опытный образец устройства, который на экспериментальном электропоезде полностью подтвердил заявленные характеристики.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Лувишис А.Л. Современные пригородные поезда. Локомотив, 1996, №8-12, 1997, №1.

2. Хомяков Б.И. и др. Перспективы улучшения показателей пригородных поездов. Электрическая тяга на рубеже веков. Сборник научных трудов (под редакцией А.Л.Лисицина). М., Интекст, 2000, с.110-123.

3. Малютин В.А. и др. Анализ построения тягового и вспомогательного оборудования современного электрического подвижного состава. Сборник научных трудов. М., Интекст, 2000, с.130-148.

4. Дядичко В.Я. и др. Электропоезд ЭНЗ: особенности конструкции и электрических схем. Локомотив. 2000, 3 5. С.34-37 (прототип).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Асинхронный тяговый привод электропоезда, содержащий асинхронные тяговые электродвигатели, снабженные системой питания с инверторами тока, отличающийся тем, что система питания состоит из входного однозвенного фильтра, состоящего из реактора (Lф), подключенного к контактной сети через быстродействующий выключатель (БВ) и пневматический контактор (ПК-1) и установленный параллельно ему резистор (R3), и двух последовательно соединенных конденсаторов (Сф1) и (Сф2), параллельно каждому из которых подключен тиристорный ограничитель напряжения (ТОН1) и (ТОН2), последовательно каждому из которых подключен тормозной резистор (Rt1) и (Rt2), соответственно, положительная обкладка конденсатора (Сф1) соединена со входом тиристорного прерывателя (ТП1), а отрицательная обкладка конденсатора (Сф2) - с выходом тиристорного прерывателя (ТП1), причем выход тиристорного прерывателя (ТП1) и вход тиристорного прерывателя (ТП2) подключены через соответствующие обратные диоды (VD15) и (VD25) к средней точке конденсаторной батареи (Сф1-Сф2), к выходу тиристорного прерывателя (ТП1) через сглаживающий реактор (Lc1) подключен вход автономного инвертора тока (АИТ1), последовательно с которым через пневматический контактор (ПК-2) включен автономный инвертор тока (АИТ2), а параллельно пневматическому контактору (ПК2) установлена цепь: резистор (Rt3) - тиристор (VS71.2) - тиристор (VS71.1) - резистор (Rt4), выход которого через сглаживающий реактор (Lc2) соединен со входом тиристорного прерывателя (ТП2), выход автономного инвертора (АИТ1) соединен с положительной обкладкой конденсатора (Сф1) посредством диода (VD12), а вход автономного инвертора тока (АИТ2) через диод (VD22) соединен с отрицательной обкладкой конденсатора (Сф2).

2. Асинхронный тяговый привод по п.1, отличающийся тем, что каждый тиристорный ограничитель напряжения (ТОН1) и (ТОН2) выполнен в виде главного тиристора (VS12 (VS22)), последовательно соединенного с реактором (L12 (L22)), параллельно которым подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора (Ck11 (Ck21)), тиристора (VS11 (VS21)) и реактора (L11 (L21)), параллельно тиристору (VS11 (VS21)) подключена цепь из последовательно соединенных диода (VD11 (VD21)) и реактора (L10 (L20)), причем анод тиристора (VS11 (VS21)) соединен с катодом диода (VD11 (VD21)).

3. Асинхронный тяговый привод по п.1, отличающийся тем, что тиристорные прерыватели (ТП1) и (ТП2), каждый из которых выполнен в виде двух параллельно включенных цепей: одна из которых включает в себя тиристор (VS13 (VS23)), реактор (L14 (L24)), тиристор (VS17 (VS27)), а другая - тиристор (VS14 (VS24)), реактор (L15 (L25)) и тиристор (VS15 (VS25)), параллельно тиристорам (VS13 (VS23)), (VS14 (VS24)) подключены диоды (VD13 (VD23)) и (VD14 (VD24)) соответственно, причем анод тиристора (VS13 (VS23)) соединен с катодом диода (VD13 (VD23)) и анод тиристора (VS14 (VS24)) соединен с катодом диода (VD14 (VD24)), к катодам тиристоров (VS13 (VS23)) и (VS14 (VS24)) подключена коммутирующая цепь, состоящая из последовательно включенных конденсатора (Ск12 (Ск22)) и реактора (L13 (L23)), к анодам тиристоров (VS17) и (VS15) подключена цепь из двух последовательно подключенных тиристоров (VS18.1) и (VS18.2), аноды которых соединены между собой, а катоды подключены к анодам тиристоров (VS17) и (VS15) соответственно, причем к анодам тиристоров (VS17) и (VS15) подключены катоды тиристоров (VS18.1) и (VS18.2), к катодам тиристоров (VS27) и (VS25) подключена цепь из двух последовательно подключенных тиристоров (VS28.1) и (VS28.2), катоды которых соединены между собой, аноды подключены к катодам тиристоров (VS27) и (VS25) соответственно, аноды тиристоров (VS18.1) и (VS18.2) через реактор (L16) подключен к средней точке конденсаторов фильтра (Сф1), (Сф2), к которой через реактор (L26) подключены катоды тиристоров (VS28.1) и (VS28.2), а к катодам тиристоров (VS27) и (VS25) подключены аноды тиристоров (VS28.1) и (VS28.2), аноды тиристоров (VS18.1) и (VS18.2) (катоды тиристоров (VS28.1) и (VS28.2)соединены между собой.

4. Асинхронный тяговый привод по п.1, отличающийся тем, что автономный инвертор тока (АИТ1) выполнен в виде трех цепей последовательно соединенных реакторов (L31), (L33), (L35), тиристоров (VS31), (VS33), (VS35) и диодов (VD31), (VD33), (VD35), соединенные с фазами асинхронных двигателей (ДТАЗ) и (ДТА4), а между собой фильтрами (Си11), (Си12), (Си13), упомянутые цепи продолжены и снабжены последовательно соединенными диодами (VD34), (VD36), (VD32), тиристорами (VS34), (VS36), (VS32) и реакторами (L34), (L36), (L32) и соединены между собой фильтрами (Си14), (Си16), (Си15), и все вместе - с выходом (АИТ1), а автономный инвертор тока (АИТ2) выполнен аналогично в виде трех цепей последовательно соединенных реакторов (L41), (L43), (L45), тиристоров (VS41), (VS43), (VS45) и диодов (VD41), (VD43), (VS45), соединенных между собой фильтрами (Си21), (Си23), (Си22) и с фазами других асинхронных двигателей (ДТА1) и (ДТА2), далее цепи продолжены и снабжены последовательно соединенными диодами (VD44), (VD46), (VD42), и тиристорами (VS44), (VS46), (VS42) и реакторами (L44), (L46), (L42) и соединены между собой фильтрами (Си24), (Си26) и (Си25), а все вместе с выходом (АИТ2).

Версия для печати


вверх