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

Формула изобретения

1. Способ повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении электровоза переменного тока, отличающийся тем, что для получения тока возбуждения коллекторных электродвигателей используется выпрямительная установка возбуждения на основе электронных ключей, обеспечивающая пульсации тока возбуждения с фазой, близкой к пульсациям амплитуды сетевого напряжения, для чего ключи включаются в момент, близкий к моменту перехода напряжения через ноль, а выключаются через время, меньшее половины полупериода сетевого напряжения, но достаточное для поддержания тока в цепи возбуждения.

2. Устройство для реализации способа повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении электровоза переменного тока по п.1, состоящее из тиристорного выпрямительно-инвертирующего преобразователя, запитанного от трансформатора напряжения, блока балластных резисторов, диодов, двигателей, включающих в себя обмотку возбуждения и якорь, сглаживающего реактора, выпрямительной установки возбуждения, включающей ключи и шунтирующий диод, схемы управления ключами, токоприемника, отличающееся тем, что для получения тока возбуждения используется выпрямительная установка возбуждения, состоящая из двух или более электронных ключей, управляемых схемой управления ключами и диода, причем диод включен параллельно набору обмоток возбуждения электродвигателей, а ключи включены между одной или более обмоткой возбуждения и цепью возбуждения обмотки электродвигателя.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве ключей используются IGBT 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 переменного тока ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, например (Б.А.Тушканов, Н.Г.Пушкарев, Л.А.Позднжова 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. В качестве выпрямительной установки возбуждения используется установка на основе тиристоров, что обуславливает пульсации напряжения возбуждения с фазой, сдвинутой относительно фазы напряжения сети на угол, примерно равный 90 электрическим градусам. Недостатком схемы данных электровозов является малый коэффициент мощности в режиме рекуперации (не более 65%), что обусловлено в том числе применением тиристорной выпрямительной установки возбуждения.

Известны электровозы переменного тока 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. В качестве выпрямительной установки возбуждения используется установка на основе тиристоров, что обуславливает пульсации напряжения возбуждения с фазой, сдвинутой относительно фазы напряжения сети на угол, примерно равный 90 электрическим градусам. Недостатком схемы данных электровозов является малый коэффициент мощности в режиме рекуперации (не более 65%), что обусловлено в том числе применением тиристорной выпрямительной установки возбуждения.

Предлагаемый способ повышения коэффициента мощности заключается в том, что при использовании электронных ключей возможно изменение фазы пульсаций тока обмоток возбуждения по сравнению со случаем использования тиристорного преобразователя в выпрямительной установке возбуждения, такое, что пульсации тока возбуждения будут по фазе совпадать с фазой амплитудного напряжения в сети. При этом увеличивается ток первичной сети во время высокого амплитудного напряжения сети и, соответственно, повышается коэффициент мощности.

Предлагаемое устройство (схема электровоза в режиме рекуперации в сеть - Фиг.1 или Фиг.2) состоит из тиристорного выпрямительно-инвертирующего преобразователя 2, запитанного от трансформатора напряжения 1, блока балластных резисторов 3, состоящих из резисторов 4, диодов 5, двигателей 6, включающих в себя обмотку возбуждения 7 и якорь 8, сглаживающего реактора (дросселя) 9, выпрямительной установки возбуждения 11, включающей ключи 12 и шунтирующий диод 13 схемы управления ключами 10. Трансформатор 1 подключен к сети переменного тока через токоприемник (пантограф) 14. Схемы, изображенные на Фиг.1 и Фиг.2, отличаются количеством выводов обмотки возбуждения и количеством используемых электронных ключей.

Для получения тока возбуждения используется выпрямительная установка возбуждения, состоящая из двух или более электронных ключей, управляемых схемой управления ключами, и диода, причем диод включен параллельно набору обмоток возбуждения электродвигателей, а ключи включены между одной или более обмоткой возбуждения и цепью возбуждения обмотки электродвигателя.

На Фиг.3 показаны временные диаграммы сетевого напряжения Uсети, тока возбуждения Iвув и тока сети I сети в режиме рекуперации, который реализуется в штатной схеме описанных выше электровозов ВЛ-80р, ВЛ-85, ВЛ-65, ЭП-1 с тиристорной выпрямительной установкой возбуждения, тока возбуждения Uвув и тока сети I сети (предл. вариант) при использовании предлагаемой выпрямительной установки возбуждения с электронными ключами, 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 подает на обмотку возбуждения тяговых электродвигателей пульсирующий ток, причем из-за использования тиристоров (работающих от момента их включения и до перехода напряжения через ноль) и индуктивности обмоток возбуждения фаза пульсаций этого тока сдвинута относительно фазы амплитуды сетевого напряжения на угол, близкий к 90 электрическим градусам, что является одним из факторов малого коэффициента мощности. При постоянной скорости вращения двигателей и постоянном токе обмотки возбуждения цепь якоря тягового электродвигателя представляет собой генератор также пульсирующего напряжения с фазой, сдвинутой от напряжения сети на угол, близкий к 90 электрическим градусам. Напряжение подается через диод и балластный резистор блока балластных резисторов, сглаживающий реактор, на тиристорный выпрямительно-инвертирующий преобразователь. Диоды предназначены для исключения контурных токов двух тяговых электродвигателей, балластные резисторы - для ограничения тока в режиме рекуперации. Особенностью работы тиристорного выпрямительно-инвертирующего преобразователя в режиме инвертирования является то, что переключение тока сети должно осуществляться за некоторое время до перехода напряжения через ноль (Фиг.3), что также 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 ключами анализирует напряжение сети и в моменты после перехода напряжения через ноль включает ключи. Через некоторое время, достаточное для поддержания тока, но меньшее половины полупериода сетевого напряжения, схема управления выключает ключи. В результате обеспечиваются пульсации тока возбуждения с фазой, близкой к фазе пульсаций амплитуды сетевого напряжения. Это приводит к увеличению коэффициента мощности и КПД.

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 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.