устройство регулирования тягового электропривода постоянного тока

Формула изобретения

Устройство регулирования тягового электропривода, содержащее тяговый электродвигатель постоянного тока, якорная обмотка и обмотка возбуждения которого подключены посредством разделительного диода, элементов П-образного C-R-C фильтра и преобразователя напряжения, представляющего собой электрический мост, плечи которого образованы шестью транзисторами, шунтированными обратными диодами, к первому и второму выводам контактной сети, причем обмотка якоря включена между средними точками двух смежных плеч моста, содержащими по два транзистора, а обмотка возбуждения - между выводами выходной диагонали моста, разделительный диод, балластный резистор, соединенный с обратным диодом и включенный посредством седьмого транзистора между средней точкой первого из указанных смежных плеч моста и вторым выводом контактной сети, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено восьмым транзистором, шунтированным соответствующим обратным диодом, и двумя диодами, при этом первый вывод входного конденсатора фильтра соединен с первым выводом контактной сети посредством разделительного диода, подключенного при этом к входному конденсатору своим катодом, второй вывод резистора фильтра соединен с первым выводом выходного конденсатора посредством первого дополнительного диода, соединенного при этом своим катодом с выходным конденсатором и анодом обратного диода, соединенного при этом своим катодом с катодом разделительного диода, а балластный резистор включен в цепь между средней точкой первого из указанных смежных плеч моста и вторым выводом контактной сети посредством второго дополнительного диода, соединенного своим катодом с первым выводом балластного резистора, соединенного своим вторым выводом с первым выводом выходного конденсатора, второй вывод которого посредством седьмого транзистора соединен со вторым выводом контактной сети, а восьмой транзистор включен между вторым выводом резистора фильтра и вторым выводом контактной сети.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано в тяговых электроприводах транспортных средств, например троллейбусов, трамваев, метрополитена и электробусов.

Известно устройство регулирования тягового электропривода (Патент РФ на полезную модель №50061, опубл. 10.12.2005 г., БИ №34), содержащее тяговый электродвигатель постоянного тока, якорная обмотка и обмотка возбуждения которого подключены посредством разделительного диода, элементов П-образного C-R-C фильтра и преобразователя напряжения, представляющего собой электрический мост, плечи которого образованы шестью транзисторами, шунтированными обратными диодами, к первому и второму выводам контактной сети, балластный резистор и обратный диод. При этом обмотка якоря включена между средними точками двух смежных плеч моста, содержащих по два транзистора, а обмотка возбуждения - между выводами выходной диагонали моста, балластный резистор шунтирован обратным диодом и включен посредством седьмого транзистора между средней точкой первого из указанных смежных плеч моста и вторым выводом контактной сети.

В этом устройстве регулирование напряжения якорной обмотки электродвигателя в процессе разгона транспортного средства осуществляется изменением скважности регулирования транзистора, включенного в то или иное, в зависимости от направления движения, плечо моста. Ослабление магнитного потока электродвигателя для обеспечения его работы в диапазоне высоких скоростей движения осуществляется изменением скважности регулирования транзистора, установленного в цепи, параллельной цепи, содержащей обмотку возбуждения электродвигателя. При электрическом торможении и наличии подключенного к контактной сети потребителя энергия, вырабатываемая в электродвигателе в этом режиме, передается через резистор фильтра в контактную сеть, а при отсутствии потребителя - в балластный резистор. Основной недостаток рассматриваемого устройства регулирования заключается в невозможности полезного использования мощности, вырабатываемой электродвигателем в процессе электрического торможения, при отсутствии подключенного к контактной сети потребителя энергии. Кроме того, транспортное средство с рассматриваемым устройством регулирования тягового электропривода не может двигаться, даже кратковременно, в тяговом режиме при отсутствии напряжения в контактной сети, что снижает его маневренность и сужает область применения.

Технической задачей, решаемой в заявляемом устройстве, является повышение энергосберегающих свойств тягового электропривода и маневренности оборудованного им транспортного средства, а также расширение области применения. Указанная задача в заявляемом устройстве регулирования тягового электропривода, содержащем тяговый электродвигатель постоянного тока, якорная обмотка и обмотка возбуждения которого подключены посредством разделительного диода, элементов П-образного С-R-C фильтра и преобразователя напряжения, представляющего собой электрический мост, плечи которого образованы шестью транзисторами, шунтированными обратными диодами, к первому и второму выводам источника питания, например, контактной сети, причем обмотка якоря включена между средними точками двух смежных плеч моста, содержащих по два транзистора, а обмотка возбуждения - между выводами выходной диагонали моста, балластный резистор, соединенный с обратным диодом и включенный посредством седьмого транзистора между средней точкой первого из двух указанных смежных плеч моста и вторым выводом контактной сети, достигается за счет того, что оно дополнительно снабжено восьмым транзистором, шунтированным соответствующим обратным диодом, и двумя диодами. При этом первый вывод входного конденсатора фильтра соединен с первым выводом контактной сети посредством разделительного диода, подключенного при этом ко входному конденсатору своим катодом, второй вывод резистора фильтра соединен с первым выводом выходного конденсатора посредством первого дополнительного диода, соединенного при этом своим катодом с выходным конденсатором и анодом обратного диода, соединенного своим катодом с катодом разделительного диода, а балластный резистор включен в цепь между средней точкой первого из указанных плеч моста и вторым выводом контактной сети посредством второго дополнительного диода, соединенного при этом своим катодом с первым выводом балластного резистора, соединенного своим вторым выводом с первым выводом выходного конденсатора, второй вывод которого посредством седьмого транзистора соединен со вторым выводом контактной сети, а восьмой транзистор включен между вторым выводом резистора фильтра и вторым выводом контактной сети.

Указанные дополнительные элементы и связи между ними, а также изменения, в сравнении с прототипом, точек подключения разделительного и обратного диодов, а также балластного резистора, позволяют обеспечить запасание энергии, вырабатываемой электродвигателем в процессе электрического торможения, в выходном конденсаторе фильтра и в последующем использовать эту энергию в тяговом режиме. При применении в качестве выходного конденсатора накопителя достаточно большой емкости могут быть повышены энергосберегающие свойства рассматриваемого устройства, а также обеспечивается возможность кратковременного движения в тяговом режиме при отсутствии напряжения в контактной сети.

На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого устройства.

Тяговый электропривод содержит тяговый электродвигатель постоянного тока, якорная обмотка 1 и обмотка возбуждения 2 которого подключены к элементам преобразователя напряжения, схема которого представляет собой электрический мост, в первые два смежных плеча которого включены первый, второй, третий и четвертый транзисторы, соответственно, 3, 4, 5 и 6, шунтированные обратными диодами 7, 8, 9 и 10, а во вторые два смежных плеча моста включены пятый и шестой транзисторы, соответственно, 11 и 12, шунтированные обратными диодами 13 и 14. Входная диагональ моста подключена к контактной сети 15 посредством разделительного диода 16, элементов П-образного C-R-C фильтра, включающего в себя резистор 17, первый дополнительный диод 18, обратный диод 19, входной и выходной конденсаторы 20 и 21. При этом элементы фильтра подключены ко второму выводу контактной сети 15: второй вывод конденсатора 20 непосредственно, второй вывод конденсатора 21 - посредством седьмого транзистора 22, шунтированного обратным диодом 23, второй вывод резистора 17 - посредством восьмого транзистора 24, шунтированного обратным диодом 25. Балластный резистор 26 посредством второго дополнительного диода 27 включен между общей точкой первого и второго транзисторов 3 и 4 и первым выводом выходного конденсатора 21.

Электропривод работает следующим образом.

В тяговом режиме при величине напряжения на конденсаторе 21 меньшей величины напряжения контактной сети 15 к входным выводам преобразователя напряжения на транзисторах 3-6 и 11-12 приложено, посредством разделительного диода 16, напряжение контактной сети 15. К обратному диоду 19 и диоду 23 приложена запирающая их разность напряжений контактной сети 15 и конденсатора 21. При этом работа устройства аналогична работе прототипа, а именно, при движении вперед в режиме полного магнитного потока первый транзистор 3 постоянно включен, а шестым транзистором 12 осуществляется регулирование напряжения, прикладываемого к якорной обмотке 1 и соединенной с ней последовательно посредством диода 9 обмотке 2 возбуждения. При включенном состоянии шестого транзистора 12 ток протекает по цепи: контактная сеть 15 - диод 16 - первый транзистор 3 - якорная обмотка 1 - диод 9 - обмотка 2 возбуждения - шестой транзистор 12 - контактная сеть 15. При выключенном состоянии шестого транзистора 12 ток якорной обмотки 1 и обмотки 2 возбуждения протекает по цепи: якорная обмотка 1 - диод 9 - обмотка 2 возбуждения - диод 13 - первый транзистор 3 - якорная обмотка 1. Следует отметить, что, кроме указанных цепей, переменная составляющая тока якорной обмотки 1, обусловленная коммутацией транзистора, осуществляющего регулирование, протекает и по цепи конденсатора 20. Это относится и ко всем рассматриваемым ниже режимам работы электропривода.

При постоянстве заданного значения тока в цепи якорной обмотки 1 с увеличением скорости движения транспортного средства скважность регулирования шестого транзистора 12 также увеличивается, и при определенной скорости шестой транзистор 12 открывается полностью. Дальнейшее поддержание заданной величины тока якорной обмотки 1 осуществляется ослаблением магнитного потока электродвигателя посредством изменения скважности регулирования четвертого транзистора 6. При включенном состоянии четвертого транзистора 6 ток якорной обмотки 1 замыкается по цепи: контактная сеть 15 - диод 16 - первый транзистор 3 - якорная обмотка 1 - второй транзистор 6 - контактная сеть 15, а ток в обмотке 2 возбуждения замыкается по цепи: обмотка 2 возбуждения - шестой транзистор 12 - второй транзистор 6 - диод 9 - обмотка 2 возбуждения, при этом уменьшаясь с постоянной времени этой цепи. Следует отметить, что в этом режиме по четвертому транзистору 6 протекает разность тока якоря и тока возбуждения. При выключенном состоянии четвертого транзистора 6 составляющая тока якорной обмотки 1, равная току обмотки 2 возбуждения, протекает по цепи: контактная сеть 15 - диод 16 - первый транзистор 3 - якорная обмотка 1 - диод 9 - обмотка 2 возбуждения - шестой транзистор 12 - контактная сеть 15, а составляющая, равная разности между током якорной обмотки 1 и током обмотки 2 возбуждения, протекает по цепи: якорная обмотка 1 - диод 9 - диод 8 - якорная обмотка 1.

При работе в рассматриваемом режиме величина отношения среднего значения тока обмотки 2 возбуждения электродвигателя к среднему значению тока якорной обмотки 1 при увеличении скважности регулирования четвертого транзистора 6 уменьшается.

При движении транспортного средства в тяговом режиме и величине напряжения на конденсаторе 21 существенно большей величины напряжения контактной сети 15, например, при движении в автономном режиме (без подключения к контактной сети) или при существенном снижении напряжения контактной сети 15 из-за большого количества подключенных к ней потребителей, к входным выводам преобразователя напряжения посредством обратного диода 19 и диода 23 приложено напряжение конденсатора 21. К разделительному диоду 16 при этом приложена запирающая его разность напряжений контактной сети 15 и конденсатора 21. При этом работа устройства в тяговом режиме аналогична описанной выше с той лишь разницей, что при этом ток, потребляемый преобразователем, замыкается не по цепи: контактная сеть 15 - разделительный диод 16, а по цепи: диод 23 - конденсатор 21 - обратный диод 19.

При работе устройства в тяговом режиме и величине напряжения на конденсаторе 21, близкой к величине напряжения контактной сети 15, разделительный диод 16 и обратный диод 19 находятся в открытых состояниях. При этом из контактной сети 15 и конденсатора 21 потребляются токи, соотношение между которыми определяется соотношением внутренних сопротивлений этих источников питания.

При движении вперед в тормозном режиме постоянно включен шестой транзистор 12 и седьмой транзистор 22, а регулированием скважности работы второго транзистора 4 обеспечивается величина тока в обмотке 2 возбуждения, требуемая для поддержания заданной величины тока в якорной обмотке 1. При этом в диапазоне скоростей, где величина тока возбуждения меньше величины тока якоря, при включенном втором транзисторе 4 составляющая тока якорной обмотки 1, равная току обмотки 2 возбуждения, протекает по цепи: якорная обмотка 1 - второй транзистор 4 - обмотка 2 возбуждения - шестой транзистор 12 - диод 10 - якорная обмотка 1. Составляющая тока якоря, равная разности между током якорной обмотки 1 и током обмотки 2 возбуждения, замыкается по цепи, включающей в себя конденсатор 21, транзистор 22, диод 10, якорную обмотку 1 и две параллельные цепи, первая из которых включает в себя диод 27 и резистор 26, а вторая - диод 7 и резистор 17. При этом в конденсаторе 21 накапливается часть энергии, вырабатываемой в электродвигателе в процессе торможения. Другая часть энергии торможения рассеивается на резисторах 26 и 17, причем в большей степени на резисторе 26 (сопротивление резистора 26, который установлен для повышения эффективности торможения при движении на высоких скоростях, на порядок меньше сопротивления резистора 17).

При выключенном состоянии второго транзистора 4 по указанной цепи, включающей в себя конденсатор 21, транзистор 22, диод 10, якорную обмотку 1 и две параллельные цепи, первая из которых включает в себя диод 27 и резистор 26, а вторая - диод 7 и резистор 17, замыкается весь ток, протекающий по якорной обмотке 1. Ток обмотки 2 возбуждения при этом замыкается по цепи: обмотка 2 возбуждения - транзистор 12 - диод 10 - диод 9.

В рассматриваемом режиме величина отношения среднего значения тока обмотки 2 возбуждения электродвигателя к среднему значению тока якорной обмотки 1 при увеличении скважности регулирования второго транзистора 4 увеличивается.

С уменьшением скорости движения транспортного средства и постоянном значении тока в цепи якорной обмотки 1, регулируемом посредством изменения тока в обмотке 2 возбуждения, последний увеличивается и при определенной скорости становится равным току в якорной обмотке 1. В этом режиме работы электропривода и режимах, соответствующих меньшим значениям скоростей, при включенном состоянии второго транзистора 4 ток якорной обмотки 1 и ток обмотки 2 возбуждения замыкаются по контуру: якорная обмотка 1 - второй транзистор 4 - обмотка 2 возбуждения - шестой транзистор 12 - диод 10 - якорная обмотка 1, а при выключенном состоянии второго транзистора 4 контуры замыкания указанных токов такие же, как и в рассмотренном выше режиме торможения при высоких скоростях транспортного средства.

При дальнейшем уменьшении скорости скважность регулирования второго транзистора 4 увеличивается и при определенной скорости, при которой ЭДС якорной обмотки 1 становится равной суммарному падению напряжения на элементах цепи: якорная обмотка 1 - второй транзистор 4 - обмотка 2 возбуждения - шестой транзистор 12 - диод 10 - якорная обмотка 1, второй транзистор 4 открывается полностью. Мощность, вырабатываемая электродвигателем в этом режиме, не передается во внешние цепи, а гасится на активных сопротивлениях внутренних электрических цепей электродвигателя. При дальнейшем снижении скорости токи якорной обмотки 1 и обмотки 2 возбуждения уменьшаются пропорционально уменьшению скорости.

Если в процессе торможения значение напряжения на конденсаторе 21 повышается до его предельно допустимого значения, то выключается седьмой транзистор 22 (по сигналу соответствующего датчика, на схеме не показан) и включается восьмой транзистор 24, посредством которого обеспечивается контур замыкания тока якорной обмотки 1 через резистор 17 и, тем самым, передача в него энергии, вырабатываемой в электродвигателе в процессе торможения.

При движении назад работа устройства аналогична его работе при движении вперед с той лишь разницей, что в тяговом режиме постоянно включен четвертый транзистор 6, а регулирование напряжения осуществляется пятым транзистором 11. При движении назад в режиме торможения постоянно включен пятый транзистор 11, а регулирование тока обмотки 2 возбуждения осуществляется третьим транзистором 5.

Таким образом, заявляемое устройство имеет в сравнении с прототипом более высокие энергосберегающие свойства за счет возможности использования энергии, накопленной в конденсаторе в процессе торможения, в тяговом режиме. В случае невозможности использования накопленной энергии в тяговом режиме (например, при величине напряжения на конденсаторе 21 меньшей величины напряжения контактной сети), энергия может быть использована посредством подключения дополнительных потребителей энергии, например источника питания собственных нужд транспортного средства. Возможность использования энергии, накопленной в конденсаторе 21, при движении в автономном режиме способствует повышению маневренности транспортного средства, оборудованного предлагаемым устройством, снижению времени простоев, вызванных неисправностями контактной сети и дорожными условиями, а также расширению области его применения на маршруты, имеющие участки, не оборудованные контактной сетью.