Електропривід тепловоза

Електропривщ тепловоза, що містить сполучений з дизельним двигуном тяговий генератор, що живить тяговий електродвигун з обмоткою збудження, паралельно якій підключений регулятор струму збудження тягового електродвигуна, вхід якого підключений до першого виходу формувача управляючих сигналів, входи якого підключені до першого погоджувального блока, датчик струму збудження тягового електродвигуна, датчик струму тягового генератора і задатчик режиму, останній з яких підключений до одного з входів регулятора струму збудження тягового генератора, до інших входів якого підключені виходи другого погоджувального блока, блока множення і блока корекції, до виходу регулятора струму збудження тягового генератора підключена обмотка збудження тягового генератора, а до входів блока множення - виходи датчика струму тягового генератора і датчика напруги тягового генератора, до повітряного ресивера дизельного двигуна підключений датчик тиску наддування, вихід якого сполучений із входом блока корекції, датчик буксування колісної пари, джерело живлення (допоміжний генератор), сполучений з валом дизельного двигуна, джерело живлення, підключене до допоміжного генератора, широтно-імпульсний модулятор, вхід якого сполучений з другим виходом формувача управляючих сигналів, додатково підключеного входом до виходу датчика напруги тягового генератора і виходу датчика буксування колісної пари, а також транзисторний ключ, управляючий і живильний входи якого сполучені відповідно з виходом широтно-імпульсного модулятора І виходом джерела живлення, причому вихід транзисторного ключа підключений до обмотки збудження тягового електродвигуна, який відрізняється тим, що пристрій обладнано ще одним тяговим електродвигуном, і кожний додатково підключений до тягового генератора тяговий електродвигун з обмоткою збудження забезпечено регулятором струму збудження тягового електродвигуна, підключеного паралельно обмотці збудження, датчиком струму збудження тягового електродвигуна, додатковим погоджувальним блоком, датчиком буксування колісної пари, широтно-імпульсним модулятором, транзисторним ключем, управляючий і живильний входи якого підключені відповідно до виходу широтно-імпульсного модулятора і джерела живлення, а вихід - до обмотки збудження тягового електродвигуна, та керованим джерелом живлення, живильний вхід якого підключено через датчик струму тягового генератора до виходу тягового генератора, а вихід - через допоміжний датчик струму - до якоря тягового електродвигуна, причому виходи другого і усіх додаткових погоджувальних блоків підключено до одного з входів регулятора струму збудження тягового генератора, а виходи датчиків струму збудження тягових електродвигунів, виходи допоміжних датчиків струму та виходи датчиків буксування колісних пар - до додаткових входів формувача управляючих сигналів, котрий іншими додатковими виходами підключено до входів регуляторів струму збудження тягових електродвигунів, входів широтно-імпульсних модуляторів та управляючих входів керованих джерел живлення. CM О) Корисна модель відноситься до залізничного транспорту і може бути використана в транспортних засобах, які мають двигуни внутрішнього згорання з електроприводом рухаючих коліс. Відомо електропривід тепловоза, що містить сполучений з дизельним двигуном тяговий генератор, що живить тяговий електродвигун з обмоткою збудження, паралельно якій підключений регулятор струму збудження тягового електродвигуна. Вхід регулятора струму збудження тягового елект 11291 родвигуна підключений до першого виходу формувача управляючих сигналів, входи якого підключені до першого погоджувального блока, датчика струму збудження тягового електродвигуна, датчика струму тягового генератора і задатчику режиму, Останній з яких підключений до одного з входів регулятора струму збудження тягового генератора, до інших входів якого підключені виходи другого погоджувального блока, блока множення і блока корекції До вихода регулятора струму збудження тягового генератора підключена обмотка збудження тягового генератора, а до входів блока множення - виходи датчика струму тягового генератора і датчика напруги тягового генератора До повітряного ресивера дизельного двигуна підключений датчик тиску наддуву, вихід якого сполучений з входом блока корекції, [див а с СРСР №1463548, МПК4 B60L 1/04 надрук в Б В №9, 1989] Недоліком відомого пристрою є відсутність можливості регулювання струму збудження тягового електродвигуна при виявленні буксування колісних пар, що приводить до зниження тягових властивостей і економічності роботи тепловоза Відомо електропривід тепловоза [див деклараційний патент України на корисну модель №5139 від 15 02 2005, МПК7 B60L 11 /04, бюл №2, 2005], обраний за прототип, що містить сполучений з дизельним двигуном тяговий генератор, що живить тяговий електродвигун з обмоткою збудження, паралельно якій підключений регулятор струму збудження тягового електродвигуна Вхід регулятора струму збудження тягового електродвигуна підключений до першого виходу формувача управляючих сигналів, входи якого підключені до першого погоджувального блока, датчика струму збудження тягового електродвигуна, датчика струму тягового генератора і задатчику режиму, останній з яких підключений до одного з входів регулятора струму збудження тягового генератора, до інших входів якого підключені виходи другого погоджувального блока, блока множення і блока корекції До виходу регулятора струму збудження тягового генератора підключена обмотка збудження тягового генератора, а до входів блока множення - виходи датчика струму тягового генератора і датчика напруги тягового генератора До повітряного ресивера дизельного двигуна підключений датчик тиску наддуву, вихід якого сполучений із входом блока корекції Пристрій також забезпечений датчиком буксування колісної пари, джерелом живлення (допоміжним генератором), сполученим з валом дизельного двигуна, джерелом живлення, підключеним до допоміжного генератора, широтно-імпульсним модулятором, вхід якого сполучений з другим виходом формувача управляючих сигналів, додатково підключеного входом до виходу датчика напруги тягового генератора і виходу датчика буксування колісної пари, а також транзисторним ключем, управляючий і живлячий входи якого сполучені ВІДПОВІДНО з виходом широтно-імпульсного модулятора і виходом джерела живлення, причому вихід транзисторного ключа підключений до обмотки збудження тягового електродвигуна. Недоліком відомого пристрою є зниження коефіцієнта корисної дм (ККД) тепловоза при роботі електропривода з кількома постійно підключеними до тягового генератора тяговими електродвигунами (від 4 до 6 одиниць в залежності від типу тепловоза) Так, наприклад, параметри тягових електродвигунів (ТД) вибираються виходячи з необхідності досягнення максимального значення коефіцієнта корисної дії у тривалому режимі роботи Однак відомо, що в таких режимах тепловоз використовується до ЗО ВІДСОТКІВ усього часу його роботи В інших же режимах струми в якорях тягових електродвигунів істотно нижче розрахункових, що приводить до зниження середньоексплуатаційного ККД електропривода і тепловоза в цілому В зв'язку з цим, при роботі тепловоза в режимі нижче номінального доцільно відключити від тягового генератора частину тягових електродвигунів так, щоб у залишившихся у роботі струми якорів зросли і були близькі до номінальних Це дасть змогу істотно підвищити як їх ККД, так і тепловоза в цілому В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення середи ьоексплуата цій ного коефіцієнта корисної дії електропривода тепловоза шляхом того, що пристрій обладнано ще одним тяговим електродвигуном і кожний додатково підключений до тягового генератора тяговий електродвигун з обмоткою збудження забезпечено регулятором струму збудження тягового електродвигуна, підключеного паралельно обмотці збудження, датчиком струму збудження тягового електродвигуна, додатковим погоджувальним блоком, датчиком буксування колісної пари, широтно-імпульси им модулятором, транзисторним ключем, управляючий і живлячий входи якого підключені відповідно до виходу широтно-імпульсного модулятора і джерела живлення, а вихід - до обмотки збудження тягового електродвигуна та керованим джерелом живлення, живлячий вхід якого підключено через датчик струму тягового генератора до виходу тягового генератора, а вихід - через допоміжний датчик струму - до якоря тягового електродвигуна Виходи другого і усіх додаткових погоджувальних блоків підключено до одного з входів регулятора струму збудження тягового генератора, а виходи датчиків струму збудження тягових електродвигунів, допоміжних датчиків струму та датчиків буксування колісних пар - до додаткових входів формувача управляючих сигналів, котрий іншими додатковими виходами підключено до входів регуляторів струму збудження тягових електродвигунів, входів широтно-імпульсних модуляторів та управляючих входів керованих джерел живлення Технічна суть і принцип дії запропонованого електропривода тепловоза з двома тяговими електродвигунами пояснюється його структурною схемою, приведеною на Ф і М , а також функціональною залежністю ККД від струму якоря тягового електродвигуна (Фіг 2) Запропонований електропривід тепловоза (Фіг1) містить дизельний двигун 1, сполучений з тяговим генератором 2, який живить тягові електродвигуни 3 і 4 з обмотками збудження 5 і 6, паралельно яким підключені регулятори струму збу 11291 дження 7 і 8 тягових електродвигунів 3 і 4. Входи регуляторів струму збудження 7 і 8 тягових електродвигунів 3 і 4 підключені до виходів формувача управляючих сигналів 9, входи якого підключені до виходів першого погоджувального блока 10, датчиків струму збудження 11 і 12 тягових електродвигунів 3 і 4, датчика струму 13 тягового генератора 2, задатчика режиму 14, датчика напруги 15 тягового генератора 2, допоміжних датчиків струму 16 і 17 та датчиків буксування колісних пар 18 і 19. Крім цього до виходів формувача управляючих сигналів 9 підключені входи широтно-імпульсних модуляторів 20 і 21 та управляючі входи керованих джерел живлення 22 і 23. До виходів широтно-імпульсних модуляторів 20 і 21 підключені управляючі входи транзисторних ключів 24 і 25, живлячі входи яких підключені до джерела живлення 26, підключеного до джерела живлення 27 (допоміжного генератора), сполученого з валом дизельного двигуна 1. До повітряного ресивера 28 дизельного двигуна 1 підключено датчик тиску наддуву 29, вихід якого з'єднаний з входом блока корекції ЗО. Обмотка збудження 31 тягового генератора 2 через погоджувальний блок 10 підключена до виходу регулятора струму збудження 32 тягового генератора 2, входи якого з'єднані з виходами другого і додаткового погоджувальних блоків 33 і 34 та виходами блока множення 35 і задатчика режиму 14. До входів блока множення 35 підключені виходи датчика струму 13 та датчика напруги 15 тягового генератора 2. Тяговий генератор 2 являє собою синхронний генератор змінного струму. До тягового генератора 2 може бути підключено один або декілька однотипних тягових електродвигунів 3, 4 постійного струму з послідовними обмотками збудження 5, 6. Погоджувальні блоки 10, 33 і 34 можуть бути виконані на трансформаторах струму. Регулятор струму збудження 32 тягового генератора 2 може бути виконаний на магнітному підсилювачі з декількома управляючими обмотками або на регульованому джерелі живлення (тиристорний або транзисторний варіант). Джерело живлення 27 є генератором постійного або змінного струму з випрямлячем напругою 75 або 110В. Джерело живлення 26 може бути виконано у вигляді транзисторного перетворювача для підвищення напруги до 200-250В. Як формувач управляючих сигналів 9 і широтноімпульсний модулятор може використовуватись мікро-ЕОМ. Як датчики буксування 18 і 19 можуть використовуватися тахогенератори, Імпульсні датчики частоти обертання або інші датчики, що дозволяють вимірювати частоту обертання або прискорення колісних пар. Регулятори струму збудження 7 і 8 тягових електродвигунів 3, 4 та транзисторні ключі 24, 25 можуть бути виконані на біполярних транзисторах з ізольованими затворами (IGBT транзистори). Керовані джерела живлення 22 і 23 та регулятор струму збудження 32 тягового генератора 2 можуть бути виконані у вигляді транзисторних перетворювачів на IGBT транзисторах. Роботу електропривода тепловоза можна забезпечити як за допомогою апаратних засобів, так і у вигляді управляючої програми, розміщеної в мікро-ЕОМ. Запропонований електропривід тепловоза працює таким чином. Задатчиком режиму 14 встановлюється режим роботи електроприводу. Цей сигнал впливає на регулятор струму збудження 32 тягового генератора 2, визначаючи величину потужності тягового генератора 2, що приводиться до обертання дизельним двигуном 1. Як зворотний зв'язок по фактичній потужності тягового генератора 2 використовується сигнал блока множення 35, на вхід якого поступають сигнали від датчика струму 13 тягового генератора 2 І датчика напруги 15 тягового генератора 2, а також сигнал від датчика тиску наддуву 29, перетворений в електричний сигнал в блоці корекції ЗО. При розгоні тепловоза, коли частота обертання вала дизельного двигуна 1 і тиск наддуву в повітряному ресивері 28 не досягли сталого режиму, заданого задатчиком режиму 14, на вході регулятора струму збудження 32 тягового генератора 2, з'являється коректуючий сигнал від блоку корекції ЗО, який перешкоджає зростанню струму ланцюга обмотки збудження 31 тягового генератора 2, а також напруги тягового генератора 2. Це дозволяє в перехідному процесі змінювати потужність тягового генератора 2 і навантажувати дизельний двигун 1 у відповідності до наростання тиску наддуву, тобто здійснювати розгін вала дизельного двигуна 1 з максимально можливим прискоренням на межі димлення. За відсутності буксування, швидкісний режим тягових електродвигунів 3 і 4 визначається регуляторами струму збудження 7 і 8, котрі шунтують обмотки збудження 5 і 6 тягових електродвигунів 3 і 4. Збільшення частоти обертання якорів тягових електродвигунів З І 4 досягається зменшенням струму в обмотках збудження 5 і 6 відповідно регуляторами струму збудження 7 і 8. Керуючі сигнали останнім подає формувач управляючих сигналів 9, який розраховує їх рівень відповідно до значень сигналів від задатчика режиму 14, датчика струму 13 тягового генератора 2 і датчиків струмів збудження 11 і 12 тягових електродвигунів 3 і 4. Зміна режиму роботи електроприводу при ослабленому збудженні тягових електродвигунів З і 4 може привести до значних кидків струмів або напруги, що визначається величиною постійної часу контурів регулювання струмів збудження тягових електродвигунів З І 4 і тягового генератора 2, які коливаються в широких межах і залежать від ступеня насичення полюсів електричних машин. Це явище може бути виключено за рахунок сумісної роботи першого 10, другого 331 додаткового 34 погоджувальних блоків. Наприклад, якщо постійна часу контура регулювання струму збудження тягового генератора 2 менша постійних часу контурів регулювання струмів збудження тягових електродвигунів 3 або 4, то при зміні режиму роботи електроприводу виникає кидок напруги, який може привести до пробою ізоляції машин. Отже, при збільшенні струму Ітг в обмотці збудження 31 тягового генератора 2 на виході першого погоджувального блока 10, з'являється сигнал, який через формувач управляючих сигналів 9 і регулятори 8 11291 струмів збудження 7 або 8 тягових електродвигунів 3, 4 приводять у відповідність струми )а в обмотках збудження 5, 6 тягових електродвигунів 3, 4. Якщо ж постійні часу контурів регулювання струмів збудження тягових електродвигунів 3 або 4 менші постійної часу контура регулювання струму збудження тягового генератора 2, то збільшення струму І я в якорях тягових електродвигунів 3 або 4 приводить до появи сигналів на виході другого 33 і додаткового 34 погоджувальних блоків, котрі впливають на входи регулятора струму збудження 32 тягового генератора 2. Цим зменшується темп наростання сигналу завдання потужності тяговому генератору 2 від задатчика режиму 10 і виключається аварійний режим електроприводу. В обох розглянутих випадках при зміні режиму роботи електроприводу тепловоза працює блок корекції ЗО, вихідний сигнал якого вираховується з вхідних сигналів регулятора струму збудження 32 тягового генератора 2, котрі надходять від задатчика режиму 14 і блока множення 35. Це додатково регулює напругу на виході тягового генератора 2 і ще більшою мірою зменшує кидки струму і напруги в електропередачі при зміні тиску в повітряному ресивері 28 дизельного двигуна 1. При буксуванні тепловоза, пов'язаного з порушенням зчеплення колісних пар з рейками, збільшується її частота обертання п к , а також частота обертання Птд якорів тягових електродвигунів 3, 4, сполучених через зубчаті редуктори з колісними парами. При цьому додатково зменшуються струми Ія в колах якорів тягових електродвигунів 3, 4 і знижуються обертаючі моменти М т д на валах якорів, тому що в тягових електродвигунах 3, 4 послідовного збудження зменшення струмів )я веде до пропорційного зменшення магнітного потока Ф. Ці функціональні залежності витікають з загальновідомих формул для тягових електродвигунів постійного струму, які можно записати в такому вигляді: Мтд=СмФІя, (2) де п - частота обертання якорів тягових електродвигунів 3 або 4; U - напруга на виході керованих джерел живлення 22 або 23; Ія - струми в колах якорів тягових електродвигунів 3 або 4; Нц - опір в колах якорів; См, С е - конструктивні постійні електродвигунів З або 4; Ф=кіз - магнітній потік в тягових електродвигунах 3 або 4; k - коефіцієнт пропорційності; Із - струм в обмотці збудження тягових електродвигунів 3 або 4; Мтд - обертаючі моменти тягових електродвигунів 3 або 4. З формул (1, 2) видно, що для запобігання зростання частоти обертання птд необхідно збільшувати магнітний потік Ф, який залежить від струмів Із в обмотках збудження тягових електродвигунів 3 і 4. Отже, при появі надмірного ковзання датчики буксування колісних пар 18 або 19 виробляють сигнали, що поступають на вхід формувача управляючих сигналів 9, який, у свою чергу, включає відповідний широтно-імпульсний модулятор 20 або 21. При цьому на управляючих входах транзисторних ключів 24 або 25 з'являються імпульсні сигнали, котрі відкривають їх І струм від джерела живлення 26 через транзисторні ключі 24 або 25 пропускається через обмотки збудження 5 або 6 тягових електродвигунів 3 або 4. Зростання середнього значення струмів в обмотках збудження 5, 6 тягових електродвигунів 3, 4 приводить до зростання магнітного потоку Ф і, як результат, до зниження частоти обертання птд якорів тягових електродвигунів 3 або 4 і пов'язаних з ними колісних пар, згідно формули (1). При цьому відновлюється зчеплення колісних пар з рейками, і зростають обертаючі моменти Мтд тягових електродвигунів З або 4, тобто зростає тягове зусилля тепловоза. Параметри тягових електродвигунів 3 або 4 вибираються виходячи з необхідності досягнення максимального коефіцієнта корисної дії у тривалому (номінальному) режимі роботи електорприводу тепловоза згідно наступної формули: я , (3) т де - ККД тягового електродвигуна; 2 - сумарні втрати енергії (електричної і механічної) в тягоеому електродвигуні. Графічно ця залежність показана н на Фіг.2, де - тривале (номінальне) значення струму якоря. Відомо, що умови руху магістральних тепловозів на багатьох ділянках залізниць не дозволяють реалізувати повну потужність дизельного двигуна 1 та тягових електродвигунів 3, 4. У більшості випадків рух відбувається при струмах якорів тягових електродвигунів 3, 4 до ЗО відсотків від номінальних (точка А на Фіг.2). Тому для підвищення ККД електроприводу датчиками струму 16 і 17 вимірюються струми якорів тягових електродвигунів З і 4 і при їх зниженні до 50 відсотків від номінальних значень формувач управляючих сигналів 9 починає вимикати тягові електродвигуни 3, 4 шляхом подачі сигнала вимикання на управляючий вхід одного з керованих джерел живлення 22 або 23. Тяговий електродвигун 3 або 4 відключається від виходу тягового генератора 2. Враховуючи те, що тепловози мають від 4 до 8 тягових електродвигунів, то процес їх вимикання буде проходити до того часу, поки струми їх якорів не збільшаться до 100 відсотків від номінальних значень {точка В на Фіг.2). При збільшенні струмів якорів тягових електродвигунів 3 або 4 вище 100 відсотків формувач управляючих сигналів 9 почне зворотній процес "їх вмикання шляхом подачі сигналів на управляючі входи керованих джерел живлення 22, 23 до того моменту, поки вони не зменшаться до 50 відсотків від номінальних значень. Необхідно вказати, що формувач управляючих сигналів 9 вимикає керовані джерела живлення 22, 23 і підключені до них тягові електродвигуни 3, 4 (при їх кількості від 4 до 8 одиниць), починаючи від 11291 10 Отже, автоматичне управління кількістю ввімкнених тягових електродвигунів в електроприводі дозволяє як забезпечити його роботу з максимальним коефіцієнтом корисної дії, так і додатково поліпшити тягово-зчіпні властивості і економічність роботи тепловоза в цілому. першої колісної пари за напрямком руху локомотива, а вмикає - у зворотньому порядку. Виконується це для того, щоб забезпечити очищення поверхонь рейок першими колісними парами з вимкненими тяговими електродвигунами, котрі будуть поліпшувати коефіцієнт зчеплення коліс з рейками наступним колісним парам. 27 31 25 Mr. I A SO • • """ Ji " ч * \ во 40 / / 1 25 Комп'ютерна верстка Д. Дорошенко 50 75 Фіг. 2 100 Підписне -400% 125 1, Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, УкраГна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. К и ї в - 4 2 , 01601