Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ОСЛАБЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА С ПОВЫШЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть применено на транспортных средствах с тяговыми двигателями пульсирующего тока.

Задачей изобретения является реализация системы ослабления магнитного поля тяговых двигателей (ОП ТЭД) без применения индуктивных шунтов, а так же повышения энергетических показателей электровоза в режиме ОП ТЭД.

Известно устройство регулирования мощности ТЭД постоянного тока, состоящее из якорной обмотки, обмотки возбуждения, двух резисторов ослабления поля, трех контакторов (образующих три ступени ослабления поля) и индуктивного шунта, предназначенного для исключения бросков тока и облегчения условий коммутации ТЭД при включении режима ослабления поля, колебаниях напряжения в контактной сети или его восстановлении после кратковременного снятия (Б.Н.Тихменев, Л.М.Трахтман. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Теория работы электрооборудования. Электрические схемы и аппараты. М.; Транспорт, 1980, с.135-136). Обмотки возбуждения двигателей частично шунтируют резисторами (ослабляют магнитное поле), а последовательно с шунтирующим резистором включают индуктивный шунт. В настоящее время данное устройство применяется на всех отечественных электровозах. Индуктивные шунты обладают значительной массой и габаритами достаточно дороги вследствие наличия в их конструкции цветного металла и сложности ремонта. Недостатком данной системы ОП ТЭД является то, что при ее работе существенно искажается форма потребляемого тока. Это приводит к снижению коэффициента мощности (К_М) электровоза (ввиду снижения коэффициента искажения синусоидальности тока - ν)

где cosφ - косинус угла между основной гармоникой тока и напряжения в контактной сети;

ν - коэффициент искажения синусоидальности формы кривой тока в тяговой сети.

Известен многодвигательный электропривод, который содержит источник питания, два тяговых двигателя постоянного тока, четыре диода, девять контакторов, один дроссель, конденсаторный накопитель, резистор и два биполярных транзистора (RU 2332315, B60L 15/08, 11.12.2006). Техническим недостатком является повышенный расход электроэнергии, так как конденсаторный накопитель заряжается при пуске, требуется большое количество контакторов, которые ухудшают массогабаритные показатели и снижают надежность многодвигательного электропривода. Также само по себе устройство не изменяет коэффициент мощности электровоза.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тяговый электропривод, который содержит источник питания, тяговый двигатель постоянного тока, два последовательно соединенных резистора, конденсатор, два тиристора, контактор, общая шина, преобразователь напряжения с гальванической развязкой (RU 76295, B60L 15/08, 20.05.2008 - прототип). Регулирование скорости осуществляется включением контактора и первого тиристора, при этом параллельно обмотке возбуждения включается первый резистор. При кратковременной потере питания первый тиристор отключается для предотвращения возникновения аварийных режимов работы тягового двигателя. Недостатком тягового электропривода является:

- дополнительный тиристор и преобразователь усложняют схему и систему управления;

- наличие контура коммутации в цепи, что снижает надежность устройства;

- не предусмотрены защитные элементы в случае пробоя тиристора;

- при таком способе ослабления поля коэффициент мощности электровоза остается неизменным.

Целью предлагаемого изобретения является повышение коэффициента мощности электровоза в режиме ослабления магнитного поля тяговых двигателей (ОП ТЭД), за счет реализация системы ОП ТЭД без применения индуктивных шунтов.

Цель достигается тем, что в устройство ослабления поля тягового электрического привода, состоящее из якорной обмотки, обмотки возбуждения тягового двигателя (питаемого постоянным выпрямленным напряжением U_d), двух резисторов, конденсатора, двух тиристоров, контактора, общей шины и преобразователя напряжения, вместо конденсатора, двух тиристоров, резистора и преобразователя напряжения, включен микропроцессорный блок управления, получающий информацию от датчика тока, размещенного в цепи якорной обмотки тягового двигателя для измерения тока протекающего в цепи и датчика напряжения включенного в обмотку собственных нужд силового трансформатора для синхронизации силовых цепей и цепей управления, один электронный ключ (IGBT транзистор), который коллектором (к) соединен с резистором ослабления поля, эмиттером (э) соединен с минусовой шиной обмотки возбуждения, а вывод управления электронного ключа (з) соединен с микропроцессорным блоком управления. Резистор ослабления поля включен параллельно обмотке возбуждения через контактор. Микропроцессорный блок управления выдает импульсы управления электронным ключом и по сигналу датчика тока определяет режим работы (тяга/боксование). При возникновении режима «боксование» подача импульсов на электронный ключ не осуществляется и работа схемы организуется в режиме полного магнитного поля.

Устройство поясняется чертежами: принципиальная электрическая схема устройства ослабления поля тягового электрического привода - на фиг.1, временные диаграммы работы устройства - на фиг.2, форма входного тока при предлагаемом способе управления системы ослабления магнитного поля при неизменном напряжении сети - на фиг.3.

В соответствии с фиг.1 предлагаемое устройство состоит из якорной обмотки 1, обмотки возбуждения 3 тягового двигателя, контактора 4, резистора ослабления поля 5, электронного ключа 6 (транзистор IGBT), датчика тока 2, датчика напряжения 8, обмотки собственных нужд силового трансформатора 9, микропроцессорного блока управления 7. Обмотка возбуждения подключается параллельно резистору ослабления поля и ключу, а резистор ослабления поля и ключ включаются последовательно.

Временные диаграммы работы транзистора IGBT при предлагаемой системе ослабления возбуждения показаны на фиг.2 (а - напряжение питающей сети; б - напряжение управления электронным ключом на первой ступени ослабления поля (β₁); в - напряжение управления электронным ключом на второй ступени ослабления поля (β₂); г - напряжение управления электронным ключом на третьей ступени ослабления поля (β₃)) Количество ступеней ослабления магнитного поля может быть несколько до N значений (фиг.2, д - напряжение управления электронным ключом на N ступени ослабления поля (β_N)).

Рассмотрим на примере одного полупериода работу электронного ключа (в интервале от 0 до 10 мс). В определенный момент времени обмотка возбуждения шунтируется резистором за счет включения электронного ключа. В этот момент времени происходит уменьшение поля возбуждения и уменьшение эквивалентного сопротивления якоря, и увеличение тока двигателя. В момент времени, равный несколько мс электронный ключ размыкается, поле возбуждения увеличивается, и ток якоря уменьшается. Так как электронный ключ работает в моменты больших мгновенных значений напряжения питающей сети, то за счет этого достигается приближение к синусоидальной форме значение потребляемого тока (фиг.3 (форма напряжения питающей сети (а) и форма входного тока (б) при предлагаемой системе ослабления возбуждения ТЭД)), за счет этого повышается коэффициент мощности электровоза. Электронный ключ работает в режиме широтно-импульсной модуляции, что дает возможность применения N ступеней ослабления поля.

По результатам физического моделирования полученные результаты подтверждают эффективность данного технического решения. Коэффициент мощности повышается в среднем на 6%.

Техническим результатом предлагаемого устройства является:

- повышение коэффициента мощности электровоза в режиме ОП ТЭД, что снижает расход электрической энергии;

- снижение коэффициента искажения синусоидальности тока;

- обеспечение плавности регулирования тока возбуждения согласно коэффициентам ОП ТЭД, а также в нестационарных режимах его работы;

- снижение возможных коммутационных перегрузок ТЭД, за счет быстродействия работы электронных ключей.