ЕДИНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Предложение относится к тяговому электрическому приводу автономного транспортного средства, построенному по системе генератор-двигатель на переменном токе, и может быть использовано в качестве устройства регулирования тяги, упора, мощности и скорости транспортного средства без применения промежуточных преобразователей и устройств переключения в силовом канале передачи мощности между тяговыми генератором и электродвигателем, а также для снабжения электроэнергией потребителей собственных нужд.

Известно устройство электрической передачи мощности переменного тока (МПК B60L 11/08, патент RU 2225301 C2, Заявка: 2002108683/11, 08.04.2002, Луков Н.М., Космодамианский А.С., Николаев Е.В. Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства), содержащее тепловой первичный двигатель, асинхронный генератор с фазным ротором, тяговый асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, преобразователь частоты и синхронный возбудитель с регулятором напряжения. Технический результат такой конструкции обеспечивает работу электрической передачи тягового транспортного средства по системе генератор-двигатель на переменном токе. Недостатками известного устройства являются сложная система возбуждения асинхронного генератора переменного тока и использование непосредственного преобразователя частоты, имеющего большое число силовых модулей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство электрической передачи мощности переменного тока (МПК B60L 11/08, B63H 23/24, патент RU 2509002 C2, Заявка: 2012112610/11, 30.03.2012, Лазаревский Н.А., Хомяк В.А., Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А., Гагаринов И.В. Электрическая передача мощности тягового транспортного средства на переменном токе), содержащее тепловой первичный двигатель, асинхронный генератор с фазным ротором, тяговый асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, обратимый статический преобразователь частоты. Известная система электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе позволяет повысить энергетическую эффективность, надежность устройства и улучшить массогабаритные характеристики всей энергоустановки. Недостатками известного устройства являются невозможность осуществить реверс тягового электродвигателя без реверсирования первичного теплового двигателя или перемены двух фаз питающего напряжения тягового электродвигателя. К недостаткам известной электрической передачи мощности также можно отнести необходимость установки отдельной генераторной установки для потребителей собственных нужд и питания вспомогательного электрооборудования объекта.

Предлагаемая система электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе помимо выполнения требований эксплуатационного характера позволяет реализовать реверс тягового электропривода в долевых режимах его работы, а также осуществить питание вспомогательного электрооборудования. К достоинствам предлагаемой энергосистемы также можно отнести повышение энергетической эффективности и живучести электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе.

Описанные преимущества достигаются тем, что в схему электрической передачи мощности тягового транспортного средства на переменном токе добавлен синхронный генератор и новые связи, позволяющие реализовать питание потребителей собственных нужд и различные режимы питания тягового электропривода.

Единая электрическая передача мощности тягового транспортного средства на переменном токе, однолинейная схема которой представлена на фиг. 1, состоит из первичного теплового двигателя 1, механически соединенного с валом асинхронного генератора переменного тока с фазным ротором 2, тягового асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором 3, вал которого соединен с движителем транспортного средства 4. Статорная обмотка тягового асинхронного электродвигателя 3 подключена к первому входу обратимого статического преобразователя частоты 5. Единая электрическая передача мощности тягового транспортного средства снабжена тремя автоматическими выключателями 6, 7, 8, синхронным генератором 9, главным распределительным щитом 10 и потребителями собственных нужд 11. Статорная обмотка асинхронного генератора переменного тока 2 через первый автоматический выключатель 6 соединена со статорной обмоткой тягового асинхронного электродвигателя 4. Синхронный генератор 9 механически соединен с валом асинхронного генератора 2. Статорная обмотка синхронного генератора 9 соединена с шинами главного распределительного щита 10, к которым подключены потребители собственных нужд 11, и через второй автоматический выключатель 7 второй вход обратимого статического преобразователя частоты 5. К этому же входу обратимого статического преобразователя частоты 5 через третий автоматический выключатель 8 подключена роторная обмотка асинхронного генератора с фазным ротором 2.

Единая электрическая передача мощности тягового транспортного средства, однолинейная схема которой представлена на фиг. 2, может содержать управляемый выпрямитель напряжения 12, вход которого подключен к шинам главного распределительного щита 10, а выход подключен в цепь постоянного тока двухзвенного обратимого преобразователя частоты 5.

Предлагаемая единая электрическая передача может работать в двух режимах работы: режиме полного хода и режиме хода с небольшой скоростью либо швартовном режиме работы (режим работы с обеспечением частых реверсов). Более подробно рассмотрим каждый из режимов.

Режим полного хода характеризуется питанием тягового асинхронного электродвигателя 3 от асинхронного генератора 2 по системе генератор-двигатель, синхронный генератор 9 при этом обеспечивает питанием потребители собственных нужд 11. В данном режиме работы автоматические выключатели 6 и 8 замкнуты, а автоматический выключатель 7 разомкнут. Асинхронный генератор с фазным ротором 2 работает в синхронном режиме и возбуждается со стороны ротора посредством обратимого статического преобразователя частоты 5 переменным напряжением изменяемой частоты при постоянной частоте вращения первичного теплового двигателя 1. При изменении действующего значения и частоты напряжения, подводимого к ротору, будет происходить изменение действующего значения и частоты напряжения на статорной обмотке асинхронного генератора 2. Изменение частоты и уровня напряжения на статорной обмотке асинхронного генератора 2 будет приводить к изменению частоты и уровня питающего напряжения статорной обмотки тягового электродвигателя 3 и, как следствие, регулированию частоты вращения тягового гребного электродвигателя 3 и приводимого им во вращение движителя 4 (например, винта). При этом энергия роторной цепи асинхронного генератора 2 через обратимый статический преобразователь частоты 5 поступает для питания статорной обмотки тягового асинхронного электродвигателя 3. Обратимый статический преобразователь частоты 5 согласует напряжения роторной и статорной цепи асинхронного генератора 2. Связь частот вращения магнитных полей, создаваемых обмотками ротора и статора, и частоты вращения ротора асинхронного генератора 2 может быть записана согласно

,

где ω_c - частота вращения поля (частота напряжения) обмотки статора, ω_в - механическая частота вращения ротора, p - число пар полюсов электрической машины, ω_p - частота вращения поля (частота напряжения) обмотки ротора.

Синхронный генератор 9, приводимый во вращение первичным тепловым двигателем 1 с постоянной частотой вращения, обеспечивает питание потребителей собственных нужд 11 стабилизированным напряжением. Для первоначального пуска всей энергетической установки и первоначального возбуждения главной генераторной установки, состоящей из первичного теплового двигателя 1 и асинхронного генератора 2, в схеме предусмотрен выпрямитель 12, осуществляющий питание звена постоянного тока обратимого статического преобразователя частоты 5. Возбуждение асинхронного генератора 2 будет происходить по цепи: синхронный генератор 9, главный распределительный щит 10, управляемый выпрямитель напряжения 12, обратимый статический преобразователь частоты 5, автоматический выключатель 8 и ротор асинхронного генератора 2.

В режиме полного хода мощность, пропускаемая через обратимый статический преобразователь частоты 5, как и в прототипе, зависит от глубины регулирования частоты напряжения обмотки статора относительно и характера нагрузки тягового электропривода.

Режим хода с небольшой скоростью либо швартовный режим работы характеризуется питанием тягового асинхронного электродвигателя 3 и потребителей собственных нужд 11 от синхронного генератора 9, при этом асинхронный генератор 2 не работает, а его ротор вращается как болванка. В данном режиме работы автоматические выключатели 6 и 8 разомкнуты, а автоматический выключатель 7 замкнут. Приводной двигатель 1 вращается с фиксированной частотой вращения, обеспечивая постоянное значение частоты напряжения на шинах главного распределительного щита 10 для питания потребителей собственных нужд 11. Тяговый асинхронный электродвигатель 3 получает питание по цепи: синхронный генератор 9, шины главного распределительного щита 10, автоматический выключатель 7, обратимый статический преобразователь частоты 5 и статорная обмотка тягового асинхронного электродвигателя 3. Регулирование частоты вращения и реверс тягового асинхронного электродвигателя 3 осуществляется посредством обратимого статического преобразователя частоты 5. Мощность на валу тягового асинхронного электродвигателя 3 в данном режиме ограничена мощностью обратимого статического преобразователя частоты 5 и синхронного генератора 9. Данный режим работы может быть использован для обеспечения частых реверсов либо для движения транспортного средства с небольшой скоростью.

Преимуществом данной энергетической установки является повышение энергетической эффективности и живучести электрической передачи. К достоинствам предлагаемой электроэнергетической системы также можно отнести обеспечение питания потребителей собственных нужд и возможность осуществления реверса тягового электродвигателя.

Таким образом, предлагаемая единая электрическая передача мощности позволяет повысить эффективность и надежность работы электрической передачи мощности транспортного средства.