способ повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении электровоза и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении электровоза, отличающийся тем, что в моменты, когда в сети наблюдается амплитудное напряжение, превышающее некоторый пороговый уровень, часть балластных резисторов блока балластных резисторов шунтируется управляемым ключом.

2. Способ повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении электровоза по п.1, отличающийся тем, что замкнутое состояние шунтирующего ключа осуществляется в диапазоне времени 30-150 эл. град. от момента перехода напряжения сети через ноль.

3. Устройство для реализации способа рекуперативного торможения электровоза по п.1 или 2, состоящее из трансформатора, тиристорного выпрямительно-инверторного преобразователя, сглаживающего реактора, тягового электродвигателя, диодов, балластных резисторов, шунтирующих ключей, схемы управления шунтированием, отличающееся тем, что резисторы блока балластных резисторов выполнены в виде двух или более последовательно включенных резисторов, один или более из которых включен параллельно с шунтирующим ключом и шунтируется ключом, управляемым схемой управления шунтированием при напряжении сети, превышающем некоторый пороговый уровень, или в диапазоне времени 30-150 эл. град. от момента перехода напряжения сети через ноль.

4. Устройство для реализации способа рекуперативного торможения электровоза по п.3, отличающееся тем, что резисторы блока балластных резисторов выполнены в виде двух или более параллельно включенных резисторов, один или более из которых включается последовательно с шунтирующим ключом и включается ключом, управляемым схемой управления шунтированием при напряжении сети, превышающем некоторый пороговый уровень, или в диапазоне времени 30-150 эл. град. от момента перехода напряжения сети через ноль.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что в качестве ключей, шунтирующих балластный резистор, используются IGBT-транзисторы (транзисторные модули).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам генерации электроэнергии, а точнее к устройствам, обеспечивающим режим рекуперативного торможения электровоза с возвратом энергии в электрическую сеть переменного тока.

Известны электровозы ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, например (Б.А.Тушканов, Н.Г.Пушкарев, Л.А.Позднякова и др. Электровоз ВЛ-85. Руководство по эксплуатации. М., 1992, 480 с.), в которых применяется тиристорный выпрямительно-инверторный преобразователь, подключенный при рекуперации к блоку балластных резисторов и якорю тягового двигателя. Недостатком схемы данных электровозов является малый коэффициент мощности в режиме рекуперации (не более 65%), а также высокая рассеиваемая мощность на блоке балластных резисторов.

Известны электровозы ЭП-1, Ермак, например (Электровоз ЭП-1. Руководство по эксплуатации, т.1., Ростов на Дону, 2006, 540 с.), являющийся наиболее близким аналогом (прототипом), отличающийся в режиме рекуперации от электровозов ВЛ-80р и ВЛ-85 тем, что в цепи якорей тяговых электродвигателей последовательно с ними включены диоды для исключения контурных токов двух тяговых электродвигателей. Недостатком схемы данных электровозов является малый коэффициент мощности в режиме рекуперации (не более 65%), а также высокая рассеиваемая мощность на блоке балластных резисторов.

Предлагаемый способ повышения коэффициента мощности заключается в том, что в моменты, когда в сети наблюдается высокое амплитудное напряжение, часть балластных резисторов блока балластных резисторов шунтируется управляемым транзисторным ключом. При этом увеличивается ток первичной сети и повышается коэффициент мощности.

Предлагаемое устройство (схема электровоза в режиме рекуперации в сеть - Фиг.1) состоит из тиристорного выпрямительно-инвертирующего преобразователя 2, запитанного от трансформатора напряжения 1, блока балластных резисторов 3, состоящих из резисторов 4, ключей 5, шунтирующих часть балластных резисторов, диодов 6, двигателей 7, включающих в себя обмотку возбуждения 8 и якорь 9, сглаживающего реактора (дросселя) 10, выпрямительной установки возбуждения 11, схемы управления шунтированием 12. Ключи 5 шунтируют часть балластных резисторов 4, при этом балластный резистор должен быть выполнен в виде двух или более последовательно включенных резисторов, один или более из которых должен быть включен параллельно с шунтирующим ключом.

Второй вариант шунтирования балластных резисторов показан на Фиг.2. В этом случае балластный резистор состоит из двух или более параллельно включенных резисторов, один или более из которых включается шунтирующим ключом.

Трансформатор 1 подключен к сети переменного тока через токоприемник (пантограф) 13.

На Фиг.3 показаны временные диаграммы сетевого напряжения Uсети, тока сети Iсети (R=const) в режиме рекуперации при отсутствии шунтирования части балластных резисторов, который реализуется в штатной схеме описанных выше электровозов ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, ЭП-1, тока сети Iсети(предл. вариант) при шунтировании части блока балластных резисторов, напряжения управления ключами Uупр.кл.(1=замк., 0=разомк.).

Работа штатной схемы электровозов ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, ЭП-1 без шунтирования части балластных резисторов заключается в следующем (Фиг.1, Фиг.3): выпрямительная установка возбуждения 11 подает на обмотку возбуждения 8 тяговых электродвигателей 7 ток, близкий к постоянному току. При постоянной скорости вращения двигателей и постоянном токе обмотки возбуждения цепь якоря 9 тягового электродвигателя представляет собой генератор постоянного напряжения. Напряжение подается через диод 6 и балластный резистор 4 блока балластных резисторов 3, сглаживающий реактор 10, на тиристорный выпрямительно-инвертирующий преобразователь 2. Диоды 6 предназначены для исключения контурных токов двух тяговых электродвигателей, балластные резисторы 4 - для ограничения тока в режиме рекуперации. Особенностью работы тиристорного выпрямительно-инвертирующего преобразователя 2 в режиме инвертирования является то, что переключение тока сети должно осуществляться за некоторое время до перехода напряжения через ноль (Фиг.3), что приводит к малому коэффициенту мощности в режиме рекуперации (не более 65% для электровозов ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, ЭП-1) и, соответственно, малому КПД.

Работа предлагаемой схемы отличается от работы штатной схемы электровозов ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, ЭП-1 следующим: схема управления шунтированием 12 анализирует напряжение сети и в моменты высокого амплитудного напряжения Uсети формирует сигнал управления ключами Uупр.кл.(1=замк., 0=разомк.). В результате ключи 5 замыкаются, часть балластных резисторов 4 шунтируется, что увеличивает ток в сети именно в моменты, когда напряжение превышает некоторый уровень. Это приводит к увеличению коэффициента мощности и КПД.

Схема управления шунтированием 12 также может анализировать напряжение перехода через ноль, и с помощью ключей 5 шунтировать часть балластного резистора в диапазоне времени 30-150 электрических градусов от момента перехода напряжения сети через ноль.

В качестве ключей могут быть применены IGBT транзисторы (транзисторные модули) либо модули на полевых транзисторах.

Техническим результатом является повышение коэффициента мощности в режиме рекуперативного торможения до 80% и повышение КПД преобразователя.

Список источников

1. Б.А.Тушканов, Н.Г.Пушкарев, Л.А.Позднякова и др. Электровоз ВЛ-85. Руководство по эксплуатации. М., 1992, 480 с.

2. Электровоз ЭП-1. Руководство по эксплуатации, т.1., Ростов-на-Дону, 2006, 540 с.