Патент на изобретение №2332316

(54) ДВУХДВИГАТЕЛЬНЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к электрифицированным транспортным средствам, например шахтным аккумуляторным электровозам. В тяговом электроприводе на базе двигателей независимого возбуждения содержатся общий или индивидуальные статические преобразователи в якорных цепях, реверсивный преобразователь в цепи обмоток возбуждения и устройство управления. Реверсивный преобразователь выполнен на трехфазном мостовом инверторе, в две фазы которого включены обмотки возбуждения тяговых электродвигателей так, что их одноименные выводы соединены в общую точку. Технический результат заключается в упрощении тягового электропривода и повышении надежности работы. 1 ил.

Изобретение относится к тяговому электроприводу постоянного тока с импульсным регулированием частоты вращения тяговых двигателей и может найти применение на электрифицированных транспортных средствах, например на рудничных аккумуляторных электровозах.

Известны тяговые электроприводы на базе использования двигателей независимого возбуждения, обладающие в сравнении с двигателями последовательного возбуждения более широкими функциональными возможностями по реализации рациональных тяговых характеристик и режимов работы транспортного средства. В них возможно двухзонное регулирование частоты вращения электродвигателей: изменением напряжения питания якорных цепей в диапазоне от нуля до номинального значения при постоянном магнитном потоке и последующим ослаблением поля при неизменном номинальном напряжении якорных цепей. Реверс электродвигателей производится изменением полярности напряжения питания якорных цепей электродвигателей или же обмоток возбуждения. Для реализации этих функций в состав электропривода в общем случае входят: статический преобразователь в цепи питания якорных цепей, статический преобразователь в цепи питания обмоток возбуждения и устройство управления указанными преобразователями (см. В.И.Архангельский. Системы реверсивных электроприводов. – Киев: Технiка, 1972, С.6, рис.1в).

В современных электроприводах постоянного тока указанные статические преобразователи обычно выполняют на управляемых бесконтактных ключевых элементах – тиристорах и транзисторах в виде импульсных регуляторов напряжения. При этом в силовой цепи применяют или общий преобразователь на два двигателя, или же индивидуальные преобразователи в якорной цепи каждого из электродвигателей (см. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. – М.: Энергия, 1974, С.15, рис.1-7, а, в). Поскольку тяговый электропривод не требует высокого быстродействия при реверсе, более предпочтительным является применение реверсивного преобразователя в сравнительно маломощной и слаботочной цепи питания обмоток возбуждения. При этом для обеспечения возможности подрегулировки напряжений питания обмоток возбуждения с целью выравнивания токовых нагрузок якорных цепей электродвигателей применяют индивидуальные регуляторы возбуждения (см., например, Минов А.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. – М.: Транспорт, 1965, С.255, рис.102). Недостатком такого решения является усложнение узла питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение двухдвигательного тягового электропривода на базе двигателей независимого возбуждения, содержащего общий или же индивидуальные статические преобразователи в якорных цепях, реверсивный преобразователь в цепи обмоток возбуждения и устройство управления. Для достижения заявленного технического результата указанный реверсивный преобразователь выполнен на трехфазном мостовом инверторе, в две фазы которого включены обмотки возбуждения тяговых электродвигателей так, что их одноименные выводы, например начала, соединены в общую точку.

В обоснованных случаях ключи инвертора, соединенные с общей точкой обмоток возбуждения, могут быть выполнены на контактных элементах.

Принципиальная схема предлагаемого электропривода приведена на чертеже. Привод содержит два электродвигателя постоянного тока, якорные обмотки которых 1 и 2 с последовательно включенными датчиками тока 3 и 4 зашунтированы встречно включенными диодами 5, 6 и соединены с зажимами источника питания постоянного тока через управляемые ключевые элементы 7 и 8, зашунтированные встречно включенными диодами 9, 10. Обмотки возбуждения 11 и 12 двигателей включены в две фазы трехфазного инвертора на управляемых ключевых элементах 13-18, зашунтированных встречно включенными диодами 19-22. При этом одноименные выводы обмоток возбуждения, например, их начала соединены между собой. Указанный инвертор и ключевые элементы в цепи якорных обмоток двигателей могут быть реализованы на твердотельных IGBT модулях со встроенными обратными диодами. Ключи 15 и 16 могут быть выполнены также на контактных элементах.

Управление ключевыми элементами 7, 8, 13-18 осуществляется программно микроконтроллерным устройством 23 через согласующее устройство 24 (драйверы, которые могут быть интегрированы в IGBT модули) по задающим воздействиям 25 и сигналам от датчиков тока 3 и 4.

При установке перемычки между точками а, б получаем вариант силовой схемы привода с общим для двух электродвигателей ключевым элементом и общим диодом, шунтирующим их якорные цепи (с общим импульсным регулятором).

Для сглаживания пульсаций тока, потребляемого электроприводом от источника питания, на выходе последнего может быть включен индуктивно-емкостный фильтр 25, 26.

При запуске электродвигателей на вращение “вперед” их обмотки возбуждения 11, 12 подсоединяют на полное напряжение U источника питания, соответствующее режиму форсировки возбуждения, переводом ключевых элементов 14, 15, 18 в замкнутое состояние. Затем формируют управляющие импульсы на периодическое отпирание и запирание ключевых элементов 7, 8. При замкнутом состоянии ключа в течение времени Т_И на зажимы якоря соответствующего электродвигателя подается напряжение источника питания, и ток в якорной обмотке двигателя нарастает. При размыкании ключа в течение паузы продолжительностью Т_П под действием ЭДС самоиндукции якорной обмотки ток постепенно спадает, замыкаясь через цепь шунтирующего диода.

Увеличением задающего воздействия 25 повышают коэффициент заполнения , а следовательно, и среднее значение напряжения U_cp=·U на зажимах якорных обмоток электродвигателей, обеспечивая их разгон. При нарастании тока в якорной цепи двигателя до установленного максимального значения I_МАКС.1 устройство управления 20 формирует сигнал на запирание ключевого элемента, а при снижении до установленного минимального значения I_МИН.1 вновь подается сигнал на его отпирание. В результате происходит автоматический разгон электродвигателей до выхода на характеристику, соответствующую заданному коэффициенту заполнения, при максимально допустимом токе якорных цепей и при максимальном вращающем моменте, поскольку обмотки возбуждения 11, 12 подключены на полное напряжение источника питания и создают максимальные магнитные потоки.

Дальнейшее увеличение частоты вращения электродвигателей сопровождается снижением среднего значения напряжения на зажимах обмоток возбуждения до величины U_cp·Н, соответствующей номинальным величинам токов в обмотках возбуждения, путем периодического отпирания и запирания ключевых элементов 14, 18 при постоянно замкнутом ключевом элементе 15 по командам устройства управления 23. При замкнутых ключах 14, 18 токи в обмотках возбуждения 11, 12 нарастают, а при размыкании продолжают протекать под действием э.д.с. обмоток возбуждения, замыкаясь через обратные диоды 19, 21 и замкнутый ключевой элемент 15. По окончании переходного процесса разгона электродвигатели продолжают работать на жестких механических характеристиках, соответствующих установленной величине коэффициента заполнения при номинальном возбуждении, если токи якорных цепей электродвигателей I₁I₂. При неравенстве токов, вызванных любыми причинами, в том числе нарушением сцепления одной из колесных пар транспортного средства, устройство управления 23 по разности токов I=I₁-I₂ изменяет коэффициент заполнения одного из ключевых элементов 14, 18, например, уменьшает коэффициент заполнения для электродвигателя с меньшей величиной якорного тока. В результате уменьшаются магнитный поток данного двигателя Ф и величина противо-э.д.с. вращения E=k·Ф· ,

где k – конструктивная постоянная двигателя;

– угловая скорость двигателя, рад/с.

Следствием этого является рост тока якоря данного электродвигателя, т.е. автоматическое выравнивание токовых нагрузок параллельно соединенных электродвигателей.

При задании коэффициента заполнения =1, после разгона электродвигателей до соответствующей скорости с максимальной величиной вращающего момента, дальнейший разгон происходит на жестких механических характеристиках при полном напряжении U питания якорных цепей с номинальным возбуждением.

При уменьшении токов якорных цепей до некоторой величины, близкой к току длительного режима, устройство управления 23 по результатам контроля токов I₁, I₂ начинает уменьшать коэффициент заполнения ключевых элементов 14, 18 таким образом, чтобы поддерживать постоянные величины токов якорных цепей электродвигателей. В результате происходит стабилизация мощности Р=U·(I₁+I₂), потребляемой якорными цепями электродвигателей, и работа двигателей на гиперболических механических характеристиках M· =Const с максимальным использованием их мощности.

При достижении максимально допустимого ослабления поля электродвигателей (минимально допустимой величины коэффициента заполнения ключевых элементов в цепи питания обмоток возбуждения по условиям конструктивной прочности, надежности коммутации электродвигателей либо безопасности движения транспортного средства) дальнейшее снижение коэффициента заполнения прекращается, и двигатели переходят на жесткие механические характеристики ограничения скорости. При отрицательных нагрузках происходит автоматический переход двигателей в режим рекуперативного торможения с протеканием токов рекуперации через шунтирующие диоды 9, 10 и источник питания.

При увеличении нагрузки на двигатели устройство управления 23 по результатам контроля токов I₁, I₂ начинает увеличивать коэффициент заполнения ключевых элементов в цепи возбуждения, обеспечивая автоматический переход на гиперболический участок механических характеристик электродвигателей, а при достижении токами установленного максимально допустимого значения вступает в действие режим токоограничения аналогично тому, как это было описано выше для процесса запуска электродвигателей.

Для снижения скорости при работе двигателей с коэффициентом заполнения =1 по задающему воздействию 25 устройство управления 13 начинает увеличивать коэффициент заполнения ключевых элементов в цепи питания обмоток возбуждения, что приводит к росту магнитного потока и противо-э.д.с. вращения с последующим переходом двигателей в режим рекуперативного торможения.

При увеличении тормозного тока до установленного максимально допустимого значения вступает в действие токоограничение так же, как и в двигательном режиме.

Для пуска электродвигателей на вращение в противоположную сторону изменяют направление протекания токов по обмоткам возбуждения 11, 12 подачей на них полного напряжение U источника питания переводом в замкнутое состояние ключевых элементов 13, 16, 17. Последующий запуск и работа электропривода протекает аналогично тому, как это описано выше при вращении “вперед”. Ключевой элемент 16 остается постоянно замкнутым, а регулирование напряжения питания обмоток возбуждения производится изменением коэффициентов заполнения ключевых элементов 13, 17.

При переводе ключевых элементов 13, 17 в замкнутое состояние происходит нарастание тока, а при их размыкании токи продолжают протекать, уменьшаясь во времени, через ключевой элемент 16 и обратные диоды 20, 22.

Так как ключевые элементы 15, 16 при работе привода находятся в постоянно разомкнутом или замкнутом состояниях, в обоснованных случаях они могут быть выполнены на маломощных контактных элементах.

Таким образом, при минимальном наборе бесконтактных элементов предлагаемый электропривод обеспечивает:

– реверс электродвигателей в маломощной и слаботочной цепи обмоток возбуждения;

– безреостатный плавный запуск электродвигателей со стабилизацией пусковых токов на установленном уровне;

– работу на жестких механических характеристиках стабилизации скорости при напряжениях питания якорных цепей, меньших напряжения источника питания;

– автоматическое выравнивание нагрузок якорных цепей при параллельном соединении двигателей;

– работу электродвигателей на гиперболической механической характеристике с полным использованием их мощности;

– ограничение скорости при малых и отрицательных нагрузках с автоматическим переходом из двигательного в режим рекуперативного торможения и обратно при изменении знака момента сопротивления на валу электродвигателя;

– переход в режим рекуперативного торможения с целью снижения скорости;

– ограничение максимальных токов якорных цепей электродвигателей, как в двигательном, так и в тормозном режимах работы.

Формула изобретения

1. Двухдвигательный тяговый электропривод на базе двигателей независимого возбуждения, содержащий общий или же индивидуальные статические преобразователи в якорных цепях, реверсивный преобразователь в цепи обмоток возбуждения и устройство управления, отличающийся тем, что указанный реверсивный преобразователь выполнен на трехфазном мостовом инверторе, в две фазы которого включены обмотки возбуждения тяговых электродвигателей так, что их одноименные выводы, например начала, соединены в общую точку.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что ключи инвертора, соединенные с общей точкой обмоток возбуждения, выполнены на контактных элементах.

РИСУНКИ