автономный тяговый электропривод

Формула изобретения

Автономный тяговый электропривод, содержащий генератор переменного тока, ротор которого, несущий обмотку возбуждения, кинематически связан с первичным двигателем, трехфазный электродвигатель переменного тока, статорные обмотки которого подключены через преобразователь частоты к статорным обмоткам генератора переменного тока, и тормозной резисторный узел, отличающийся тем, что преобразователь частоты выполнен с тремя парами встречно-параллельно включенных однофазных тиристорных мостов, выходы которых соединены в замкнутую кольцевую схему, при этом начала и концы каждой статорной обмотки генератора переменного тока соединены с входами обоих мостов соответствующей пары, фазные выводы включенных в звезду статорных обмоток электродвигателя подключены к узловым выводам образованной кольцевой схемы, а резисторы тормозного узла включены между началами статорных обмоток генератора переменного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к транспорту и может быть использовано в тяговых электроприводах большегрузных автосамосвалов, автопоездов и тепловозов.

Известен автономный тяговый электропривод (а.с. СССР N 872333, кл. B 60 11/08, 1981), содержащий приводимый во вращение первичным двигателем синхронный генератор, от трехфазной статорной обмотки которого получают питание асинхронные двигатели, выпрямитель преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока с подключенной аккумуляторной батареей и входом инвертора, к выходу которого подключена трехфазная обмотка ротора синхронного генератора.

К недостаткам указанного электропривода следует отнести сложность изготовления трехфазного синхронного генератора с трехфазной роторной обмоткой возбуждения, большие массо-габаритные показатели как преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока, так и синхронного генератора.

Известен также автономный тяговый привод, содержащий синхронный генератор, трехфазная обмотка которого подключена к асинхронному двигателю, каждая фаза которого секционирована по числу фаз синхронного генератора, мостовые трехфазные управляемые выпрямители, к входам которых подключены концы секционированных обмоток асинхронного двигателя, а выходы объединены и зашунтированы тиристором с подключенным к нему параллельно тормозным резистором (а.с. СССР N 1253852, кл. B 60 11/08, 1986).

Недостатками известного электропривода являются сложность изготовления секционированного асинхронного двигателя и его большие массогабаритные показатели.

По совокупности существенных признаков данный известный электропривод наиболее близок к предлагаемому устройству и может быть принят в качестве прототипа.

Изобретение направлено на улучшение энергетических и массо габаритных показателей автономного тягового электропривода. Указанные технические результаты достигаются тем, что преобразователь частоты выполнен с тремя парами встречно-параллельно включенных однофазных тиристорных мостов, выходы которых соединены в замкнутую кольцевую схему, при этом начала и концы каждой статорной обмотки генератора переменного тока соединены со входами обоих мостов соответствующий пары, фазные выводы, включенные в звезду статорных обмоток электродвигателя, подключены к узловым выводам образованной кольцевой схемы, а резисторы тормозного узла включены между началами статорных обмоток генератора переменного тока.

На фиг. 1 изображена электрическая принципиальная схема электропривода; на фиг. 2 временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу электропривода.

Автономный тяговый электропривод (фиг. 1) содержит первичный двигатель 1, приводящий во вращение ротор с обмоткой возбуждения d l генератора переменного тока 2, статорные обмотки a-x, b-y, c-z которого подключены к входам преобразователя частоты 3, состоящего из трех пар встречно-параллельно включенных однофазных тиристорных мостов 1,4; 3,6; 5,2, выходы которых соединены в кольцевую схему, к узловым точкам которой подключены фазные обмотки A, B, C трехфазного двигателя 4. Однофазные мостовые выпрямители 1, 3, 5 образуют кольцевую схему, замкнутую против часовой стрелки, а мосты 4, 6, 2

почасовой стрелке. Нечетные тиристорные мосты 1, 3, 5 формируют круговую последовательность положительных полуволн, а четные мосты 4, 6, 2 - отрицательных полуволн выходных линейных напряжений U_AC, U_CB, U_BA преобразователя частоты 3. При переводе трехфазного двигателя в генераторный режим энергия, запасенная транспортным средством, гасится и рассеивается в окружающее пространство в тормозном узле 5, резисторы которого подключены к началам a, b, c фазных обмоток генератора переменного тока.

На фиг. 1 введены обозначения: a-x, b-y, c-z начала и концы обмоток; d, l начало и конец обмотки возбуждения генератора переменного тока 2; 1 6 - однофазные мосты в тиристорном преобразователе частоты 3; 1.1 6.1, 1.3-6.3 - катодные группы тиристоров; 1.2-6.2, 1.4-6.4 анодные группы тиристоров; A, B, C начала фазных обмоток трехфазного электродвигателя 4; 5.1, 5.2, 5.3 - тормозные резисторы, подключенные к началам a-b, b-c, a-c обмоток генератора переменного тока 2 соответственно.

На фиг. 2 обозначены: а) фазное напряжение U_ax генератора переменного тока 2; б) последовательность и длительность включения тиристорных мостов 1-6 преобразователя частоты 3; г) выходные линейные напряжения U_AC, U_BC, U_BA преобразователя частоты 3; г) - фазные напряжения U_A, U_B. U_C и токи I_A, I_B. I_C трехфазного электродвигателя 4.

Автономный тяговый электропривод работает следующим образом. Первичный двигатель 1 приводит во вращение генератор переменного тока 2. С помощью тока возбуждения в обмотке d-l на выходе генератора поддерживается заданное напряжение U_ax, U_by. U_cz (фиг. 2.а), которое поступает на входы преобразователя частоты 3. Заданная частота f_з.г. генератора частоты преобразуется кольцевой пересчетной схемой в последовательность управляющих мостами 1-6 импульсов (фиг. 2б). При поступлении импульсов 1-6 управления мостами, последние открываются. Таким образом, в каждый момент времени открыты два моста, работающие в диодном режиме (=0) 1,6; 1,2; 3,2; 3,4; 5,4; 5,6; 1,6 и т. д. (фиг. 2.б)). Напряжения генератора переменного тока U_ax, U_by. U_cz повышенной частоты 400-1200 Гц выпрямляются мостами 1-6 и преобразуются на выходе в линейные напряжения U_AC, U_CB. U_BA заданной частоты f₁ f_з.г. / 6. Линейные напряжения прямоугольной формы со сдвигом относительно друг друга на 120^o эл. прилагаются к началам фазных обмоток A, B, C электродвигателя 4, концы которых объединены в общую точку (на схеме не показана). При равенстве активных и индуктивных сопротивлений фазных обмоток электродвигателя линейные напряжения U_AC, U_CB. U_BA распределяются по фазам A, B, C в напряжения ступенчатой формы U_A, U_B, U_C (фиг. 2.г), в которых отсутствуют гармоники, кратные трем, и форма фазного тока I_A, I_B. I_C близка к синусоидальной. Для исключения перенапряжений при коммутации нечетных мостов 1,3; 3,5; 5,1 и четных 2,4; 4,6; 6,2 одновременно с подачей импульсов управления на тиристоры вступающего в работу моста, например 3, подаются кратковременные импульсы управления на тиристоры 1.3 и 1.2 выходящего из работы моста 1. Накопленная реактивная энергия в фазах A и C при работе моста 1 замыкается накоротко тиристорами 1.3 и 1.2 и возвращается в фазы электродвигателя, повышая энергетические показатели и ликвидируя перенапряжения при коммутации мостов. Как только ток в тиристорах 1.3 и 1.2 станет равным 0, они закроются.

Таким образом, изменяя по заданному закону частоту задающего генератора f_з.г. и выходное напряжение генератора переменного тока можно в широких пределах регулировать частоту и амплитуду питающего напряжения электродвигателя, тем самым изменяя плавно частоту вращения двигателя. Частота питающего напряжения изменяется плавно от долей герца до 0,33 f_г.п.т. (f₁ 0?2 Гц 0,33 f_г.п.т.).

При переводе трехфазного двигателя 4 в генераторный режим необходимо, чтобы транспортное средство имело достаточный запас кинетической энергии или потенциальной энергии для вращения ротора электродвигателя. В этом случае снимаются управляющие импульсы с выпрямительных мостов и уменьшается частота задающего генератора f_з.г. на величину 2 f_s, т.е. частота выходного напряжения трехфазного генератора 4 становится меньше на величину скольжения fs частоты вращения ротора f_p (f_а.р. / 6 f₁ f_p f_s). После падения тока до нуля меняются между собой адреса импульсов во встречно- параллельно включенных мостах, разрешающих включение моста в инверторный режим. Если в тяговом режиме с пересчетного кольца приходил импульс разрешающий включить мост 1, то в тормозном режиме этот разрешающий импульс направляется на мост 4, и наоборот. Таким же образом меняются местами разрешающие импульсы между 3 и 6; 5 и 2 мостами. В тормозном режиме импульсы управления длительностью 60⁰эл. по круговой последовательности 4, 5, 6, 1, 2, 3 разрешают включение тиристоров в инверторный режим. Тяговый генератор переменного тока переводится в режим работа компенсатора реактивной энергии. Трехфазный электродвигатель, потребляя энергию от генератора переменного тока, возбуждается и начинает работать в генераторном режиме. Активная электрическая энергия, вырабатываемая трехфазным генератором 4 с помощью свободных, не задействованных в инверторном режиме тиристоров подводится к тормозным резисторам 5.1 5.3, где преобразуется в тепловую энергию и рассеивается в окружающее пространство.

Допустим, в данный момент времени 0-T/6 (фиг. 2.г) на зажимах трехфазного генератора 4 разные напряжения имеют следующую полярность U_A "+"; U_B "-", U_C "-". На этом промежутке времени выпрямительный мост 4 (фиг. 1) работает в инверторном режиме. Через него происходит обмен реактивной энергией между генераторами 2, 4, поддерживая баланс мощностей на заданном уровне. На этом же промежутке времени 0-T/6 дается разрешение на включение тиристеров 3.4, 5.1, 2.1. Активный ток протекает по цепи: фаза A "+" - тиристор 3.4. тормозной резистор 5.2 тиристоры 2.1, 5.1 фазы B, C "-". На следующем промежутке времени T/6-T/3 снимаются импульсы управления с тиристоров 3.4, 5.1, 2.1 и подаются на тиристоры 6.4, 3.4, 4.1. Возбуждение трехфазного генератора 4 осуществляется через инверторный мост 5, а активный ток генератора замыкается по цепи: фазы A, B "+" тиристоры 3.4, 6.4 - тормозной резистор 5.1 тиристор 4.1 фаза C "-". В следующий промежуток времени T/3 T/2 вступают в работу инверторный мост 6 и тиристоры 5.4, 4.1, 1.1. На промежутке времени T/2 2T/3 включаются в работу инверторный мост 1 и тиристоры 5.4, 2.4, 6.1. На отрезке времени 2T/3 5T/6 работают инверторный мост 2 и тиристоры 1.4, 3.1, 6.1. На отрезке времени 5T/6 T включается инверторный мост 3 и тиристоры 1.4, 4.4, 2.1. Далее весь цикл повторяется.

Таким образом, непрерывно, на всем периоде T выходного напряжения трехфазного генератора 4 осуществляются возбуждение его реактивным током от генератора переменного тока 2, и отдача активной энергии в тормозной узел 5, причем энергию эту можно плавно регулировать в широких пределах с помощью задержки включения тиристоров. Это позволяет плавно тормозить транспортное средство с наименьшими затратами на тормозное оборудование.

Предлагаемый автономный тяговый электропривод без добавочного релейно-контакторного, емкостного, реакторного оборудования с бесколлекторными электрическими тяговыми машинами позволяет с высоким КПД осуществить в тяговом режиме непосредственное преобразование энергии дизель-генераторной установки в тяговую энергию мотор- колес с плавным регулированием скорости движения транспортного средства, а в тормозном режиме работы преобразовать запасенную транспортным средством кинетическую энергию и потенциальную энергию в электрическую с регулируемым плавным преобразованием ее в тепловую, что позволяет плавно регулировать скорость транспортного средства при торможении.