Тяговий електропривід постійного струму транспортного засобу

Тяговий електропривід постійного струму транспортного засобу, що містить у силовому лан цюзі імпульсний перетворювач постійного струму, оперативні напівпровідникові ключі й діоди, тяговий електродвигун, між обмотками якоря і послідовного збудження якого включений ланцюг паралельно з'єднаних розділового діода і гальмового резистора, який відрізняється тим, що послідовно з гальмовим резистором включений одноопераційний тиристор у зустрічному напрямку відносно розділового діода. Корисна модель відноситься до електротехнічної промисловості і може бути використана для рейкових транспортних засобів широкого призначення: вагонів трамваїв, метрополітенів, а також приміських потягів. Корисна модель може бути використана на промислових підприємствах для оснащення технологічних транспортних засобів. Відомий тяговий електропривод для електротранспорту широкого призначення "TV-Progress" фірми "Alstom" [Проспект продукції фірми "Alstom", 2002]. Тяговий електропривод являє собою комплекс електротехнічних пристроїв: електричний двигун постійного струму з обмотками якоря і послідовного збудження. Двигун взаємодіє з взаємозалежними вузлами: головними транзисторними модулями, що здійснюють широтно-імпульсну модуляцію напруги, фільтром, гальмовими резисторами і чоперами, оперативними модулями вибору напрямку руху "вперед" чи "назад", модулями ослаблення збудження двигуна. Достоїнством відомого пристрою є те, що реалізуюча його електрична схема є безконтактною, що забезпечує зниження витрат на ремонт і обслуговування при експлуатації. Комутація струмів здійснюється тільки безконтактними модулями, схема багатофункціональна - забезпечує різні ре жими збудження двигуна в тяговому режимі, а також різні види гальмування, включаючи рекуперативне і резисторне. Недоліком відомого пристрою є те, що велика кількість функціональних оперативних модулів приводить до збільшення електричних втрат і вартості пристрою. У режимі резисторного гальмування лінійний контактор повинний відключатися, щоб уникнути підживлення гальмового резистора від контактної мережі, що веде до зниження ресурсу лінійного контактора. Найбільш близьким технічним рішенням, обраним як прототип, є тяговий електропривод постійного струму транспортного засобу, що містить у силовому ланцюзі імпульсний перетворювач постійного струму, оперативні контактори і діоди, тяговий електродвигун, у якому між обмотками якоря і послідовного збудження включений ланцюг паралельно з'єднаних розділового діода і гальмового резистора [Тяговий електропривод трамвайного вагона ТЗМ. Технічна документація, Ч К Д, Прага, Чехія, 1984р.]. Відомий пристрій відрізняється простотою електричної схеми і високим коефіцієнтом корисної дії. Недоліком прототипу є наявність контакторів, що знижують надійність електричної схеми, тому 00 ю ю 00 10585 що контакти спрацьовують при протіканні струму в ланцюзі. Це викликає іскріння і створювання дуги в зоні розмикання контактів і їхній передчасний знос. Відомим пристроєм не передбачений рекуперативний режим гальмування, що робить експлуатацію транспортного засобу менш економічною. Крім того, збудження тягового двигуна є нерегульованим. Задачею корисної моделі є удосконалення тягового електропривода постійного струму транспортного засобу за рахунок введення в схему привода одноопераційного тиристора в ланцюг гальмового резистора послідовно з ним, що дозволяє підвищити коефіцієнт корисної дії пристрою, збільшити діапазон його динамічних експлуатаційних характеристик, забезпечити універсальність і можливість застосувати його в транспортних засобах різного призначення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що тяговий електропривод постійного струму транспортного засобу містить у силовому ланцюзі імпульсний перетворювач постійного струму, оперативні напівпровідникові ключі і діоди, тяговий електродвигун, між обмотками якоря і послідовного збудження якого включений ланцюг паралельно з'єднаних розділового діода і гальмового резистора. Згідно з корисною моделлю послідовно з гальмовим резистором включений одно операційний тиристор у зустрічному напрямку стосовно розділового діода. Заявлений пристрій ілюструється принциповою електричною схемою. Тяговий електропривод постійного струму транспортного засобу включає тяговий двигун (1) з обмотками якоря (2) і послідовного збудження (3), контактор (4) і резистор (5) для попереднього заряду накопичувальних конденсаторів (6), (7) і передзбудження двигуна (1), захисний дросель (8), лінійний контактор (9), нульові діоди (10) і (11), розділовий діод (12), гальмовий діод (13), гальмовий резистор (14), оперативний гальмовий напівпровідниковий ключ (15), гальмовий одноопераційний тиристор (16), контакти реверсора (17) і (18) руху "у п е р е д" і контакти реверсора (19) і (20) руху "назад", імпульсний перетворювач постійного струму у виді головного напівпровідникового ключа (21), оперативний напівпровідниковий ключ (22) ослаблення збудження тягового двигуна (1), пристрій передзаряду (23) накопичувальних конденсаторів (6) і (7) і передзбудження двигуна (1) від акумуляторної батареї (24). Тяговий електропривод установлений на транспортний засіб працює в такий спосіб. Вибирається напрямок руху транспортного засобу. Для руху "уперед" замикаються контакти (17) і (18) реверсора і розмикаються при цьому контакти (19), (20) (показано на схемі). Для руху транспортного засобу "назад" розмикаються контакти (17) і (18) реверсора і замикаються контакти (19), (20). Готовність електричної схеми тягового електропривода транспортного засобу до роботи забезпечується шляхом включення контактора (4). При цьому від живильної мережі через резистор (5) заряджається конденсатор (6) і далі через дросель (8) заряджається конденсатор (7). Після заряду накопичувальних конденсаторів (6) і (7) до напруги живильної мережі включається контактор (9) і відключається контактор (4). Для пуску і розгону транспортного засобу в тяговому режимі періодично з частотою модуляції включається і відключається імпульсний перетворювач постійного струму у вигляді напівпровідникового ключа (21), завдяки цьому здійснюється широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) живильної напруги і до двигуна (1) підводиться напруга, середнє значення якої змінюється від нуля до рівної живлячій напрузі мережі пропорційно зміні шпаруватості провідного стану напівпровідникового ключа (21) від нуля до одиниці. Шпаруватість визначається як відношення тривалості провідного стану напівпровідникового ключа (21) до періоду модуляції. При включеному напівпровідниковому ключі (21) тяговий струм протікає по ланцюгу: лінійний контактор (9) - захисний дросель (8) - обмотка якоря (2) - розділовий діод (12) - контакт реверсора (17) - обмотка послідовного збудження (3) - контакт реверсора (18) - напівпровідниковий ключ (21), при цьому до двигуна (1) прикладене живильна напруга мережі. При відключеному напівпровідниковому ключі (21) індуктивний струм якоря двигуна (1) замикається по ланцюгу, обмотка якоря (2) - розділовий діод (12) - нульовий діод (10) - обмотка якоря (2), а індуктивний струм обмотки збудження (3) замикається по ланцюгу: обмотка збудження (3) - контакт реверсора (18) - нульовий діод (11) - контакт реверсора (17) - обмотка збудження (3), при цьому напруга на двигуні дорівнює нулю. Форсування збудження двигуна (1) при пуску чи буксуванні здійснюється включенням оперативного гальмового напівпровідникового ключа (15) синхронно з головним напівпровідниковим ключем (21), але з меншою шпаруватістю. При цьому обмотка якоря (2) шунтується оперативним гальмовим напівпровідниковим ключем (15) і струм у ланцюзі стає менше, ніж в обмотці збудження (3), що підживлюється від мережі по ланцюгу: оперативний гальмовий напівпровідниковий ключ (15) - контакт реверсора (17) - обмотка збудження (3) - контакт реверсора (18) - головний напівпровідниковий ключ (21). Після розгону транспортного засобу можуть бути змінені тягові характеристики двигуна (1) шляхом зменшення його збудження. При цьому головний напівпровідниковий ключ (21) включений постійно, ШІМ припиняється і до двигуна (1) постійно прикладена напруга живильної мережі. Для подальшого підвищення швидкості транспортного засобу застосовується режим ослаблення збудження двигуна, для чого періодично з частотою модуляції починає діяти оперативний напівпровідниковий ключ (22). В міру збільшення його шпаруватості провідного стану від нуля до мінімально припустимої, збільшується струм у якорі двигуна (1) і зменшується струм збудження. При включеному оперативному напівпровідниковому ключі (22) струм якоря протікає по ланцюгу", обмотка якоря (2) - розділовий діод (12) - контакт 10585 реверсора (17) - обмотка збудження (3) - контакт реверсора (18) - головний напівпровідниковий ключ (21), а також по ланцюзі обмотка якоря (2) розділовий діод (12) - оперативний напівпровідниковий ключ (22). При відключеному оперативному напівпровідниковому ключі (22) частина струму якоря протікає по ланцюгу: обмотка якоря (2) - розділовий діод (12) - контакт реверсора (17) - обмотка послідовного збудження (3) - контакт реверсора (18) - головний напівпровідниковий ключ (21), а надлишок струму якоря протікає по ланцюгу: обмотка якоря (2) - розділовий діод (12) - нульовий діод (10). Гальмування транспортного засобу може здійснюватися в рекуперативному режимі. У цьому режимі оперативний гальмовий напівпровідниковий ключ (15) включений постійно і через нього протікає струм збудження двигуна, середнє значення якого регулюється від нуля до максимально припустимого зміною шпаруватості провідного стану головного напівпровідникового ключа (21) від нуля до максимально припустимої величини. При включеному головному напівпровідниковому ключі (21) струм збудження протікає по ланцюгу: обмотка якоря (2) - оперативний гальмовий напівпровідниковий ключ (15) - контакт реверсора (17) обмотка послідовного збудження (3) - контакт реверсора (18) - головний напівпровідниковий ключ (21) - гальмовий діод (13) - обмотка якоря (2). При відключеному головному напівпровідниковому ключі (21) струм збудження протікає по ланцюгу: обмотка послідовного збудження (3) - контакт реверсора (18) - нульовий діод (11) - контакт реверсора (17) - обмотка послідовного збудження (3).Середнє значення струму збудження задається таким чином, щоб електрорушійна сила двигуна (1) стала більше напруги живильної мережі, у результаті чого струм, генерується двигуном (1), надходить у мережу по ланцюгу: гальмовий діод (13) - обмотка якоря (2) - захисний дросель (8) лінійний контактор (9). При необхідності може бути виконане резисторне гальмування транспортного засобу. У цьому режимі збудження двигуна (1) здійснюється аналогічно режиму рекуперації. Розходження в тім, що включається гальмовий одно операційний тиристор (16) і частина гальмового струму протікає по ланцюгу: обмотка якоря (2) - оперативний гальмовий напівпровідниковий ключ (15) - гальмовий резистор (14) - гальмовий одно операційний тиристор (16) - обмотка якоря (2). Таким чином, реалізується рекуперативно-резисторне гальмування. Якщо мережа не в змозі сприймати надлишкову електроенергію, її напруга збільшується і стає більше електрорушійної сили двигуна, у наслідку чого гальмовий діод (13) запирається і рекуперація припиняється. Режим резисторного гальмування використовується також при зникненні напруги в мережі, наприклад, у результаті обриву контактного проводу чи будь-якої іншої причини, що привела до знеструмлення мережі. У цьому випадку для надійного передзбудження двигуна (1) включається пристрій передзаряду (23), від якого короткочасно здійснюється підживлення двигуна від акумуляторної батареї (24) по ланцюгу: акумуляторна батарея (24) - пристрій передзаряду (23) - захисний дросель (8) - обмотка якоря (2) - розділовий діод (12) - контакт реверсора (17) - обмотка послідовного збудження (3) - контакт реверсора (18) - головний напівпровідниковий ключ (21) - пристрій передзаряду (23) - акумуляторна батарея (24). Двигун (1) збуджується, переходить на самозбудження і пристрій передзаряду (23) відключається. Новизна пропонованого технічного рішення полягає у введенні в гальмовий ланцюг одноопераційного тиристора, що дозволяє реалізовувати роздільно рекуперацію електроенергії в мережу при гальмуванні вагона, резисторне гальмування, а також їхню комбінацію. Пристрій дозволяє ефективно використовувати електричне гальмування. Перевага пропонованого технічного рішення полягає в меншій кількості напівпровідникових ключів, більш високому коефіцієнті корисної дії, меншої собівартості виготовлення пристрою. Заявлений пристрій дозволяє використовувати його в транспортних засобах різного призначення в тих випадках, де необхідна висока надійність застосовуваного устаткування, висока енергоекономічність, широкий діапазон тягових властивостей, мінімальні габарити, а також мінімальні витрати на обслуговування. 10585 24 Комп'ютерна верстка Д. Шеверун Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601