RU10957U1 - Тяговый электропривод - Google Patents

Abstract

Тяговый электропривод, содержащий тяговые асинхронные электродвигатели, входной фильтр, выполненный в виде индуктивности, первым выводом подключенный к контактной сети, вторым - к коммутатору, тормозной прерыватель, тормозной резистор, отличающийся тем, что в него введены варистор, стабилизатор, накопительный конденсатор, микропроцессорная система управления, датчик напряжения, импульсные датчики частоты вращения электродвигателей, при этом варистор первым выводом соединен со вторым выводом индуктивности входного фильтра, второй вывод варистора соединен с общей шиной устройства, первый вывод варистора также соединен с коллектором транзистора, выполняющего роль коммутатора, стабилизатор состоит из двух транзисторов, диода, накопительных индуктивности и конденсатора, тормозной прерыватель выполнен на транзисторе и диоде, эмиттер транзистора коммутатора соединен с первым выводом накопительной индуктивности и катодом диода стабилизатора, анод которого соединен с общей шиной устройства, первый и второй транзисторы стабилизатора соединены последовательно, эмиттер первого транзистора соединен с общей шиной устройства, коллектор первого и эмиттер второго транзисторов соединены со вторым выводом накопительной индуктивности стабилизатора, коллектор второго транзистора стабилизатора соединен с коллектором транзистора, выполняющего роль тормозного прерывателя, с первым выводом накопительного конденсатора, с первой входной шиной инвертора, первым входом датчика напряжения, эмиттер транзистора прерывателя соединен с первым выводом тормозного резистора и катодом диода прерывателя, анод диода преры

Description

ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Полезная модель относится к тяговым электроприводам и может использоваться на электротранспорте.

Известен тяговый привод элеетровоза по а/с №2027616 МКИ6 B60L 7/22, содержащий тяговые асинхронные электродвигатели, подключенные обмотками к выходам двух инверторов тока, соединенных последовательно посредством контактора, два импульсных прерывателя. Входы прерывателей через индуктивно-емкостной фильтр с двумя последовательно включенными конденсаторами подключены к контактной сети постоянного тока. Выходы импульсных прерывателей через соответствующие реакторы подсоединены к входам инверторов тока. Два обратных диода включены последовательно между выходными выводами импульсных прерывателей и соединены общим выводом с общим выводом конденсаторов фильтра. Два дополнительных диода включены между соответствующими выводами контактора и входными выводами соответствующих прерывателей. Тормозной резистор включен параллельно контактору.

Недостатки этого устройства:

- использование в качестве коммутирующих электронных устройств тиристоров усложняет схему управления, требует точного подбора

Q о -f о л -f г ;

13 ноя 1998 ОФЭ U43-A3-69 МКИ6Н02РЗ/22

iir

параметров коммутируемых цепей, требуются элементы принудительного запирания тиристоров;

-в устройстве используется нагруженный коммутирующий элемент контактор;

-переход из тягового режима в тормозной, а также смена направления вращения занимает значительное время;

-возникновение режима торможения возможно только при наличии напряжения в контактной сети;

-режим рекуперации возможен только на больших скоростях;

-значительные вес и размеры входного фильтра.

Более близким к полезной модели является устройство по а/с1791949 МКИ5 НО2Р 3/22 (прототип), содержащее п сдвоенных тяговых асинхронных электродвигателя, импульсный преобразователь, тормозной преобразователь, входы которого соединены с тормозными резисторами, инвертор, состоящий из коммутационной и силовой частей, выходы силовой части инвертора соединены с входами тяговых асинхронных двигателей, входной фильтр, состоящий из катушки индуктивности, которая одним концом подключена к контактной сети, и конденсатора, соединенного с силовой частью инвертора. Входь импульсного преобразователя подключены к источнику питания постоянного тока, а выходы - к коммутационной части инвертора. С силовой частью инвертора соединены разделительные блоки, причем выходы разделительных блоков

Лист 2

соединены с входами силовой части инвертора, а входы - с входами коммутационной части инвертора. Катушка индуктивности через разъединитель соединена с одним из входов инвертора, другой вход которого через разъединитель заземлен. Выходы тормозных резисторов через контактор соединены с силовой частью инвертора. Тормозной преобразователь содержит три параллельные ветви, каждая из которых состоит из параллельно соединенных резисторов и двух встречено включенных тиристоров. Выходы ветвей соединены между собой, а входы соединены с тормозным резистором и образуют входы тормозного преобразователя.

Недостатки этого устройства:

-большое количество элементов схемы, что увеличивает габариты устройства и его стоимость;

-использование контактных разъединителей и контактора снижает эксплуатационную надежность устройства;

-использование в качестве коммутирующих электронных устройств тиристоров усложняет схему управления, требует точного подбора параметров коммутируемых цепей, делает невозможным получение высокой «несущей частоты и широкого диапазона скважности импульсов при широтно-импульсном регулировании напряжения;

ЛистЗ

-ПОМИМО инвертора требуются дополнительно импульсный

преобразователь и тормозной преобразователь;

-значительные вес и размеры входного фильтра.

Оба устройства не офаничивают входной ток при резких изменениях напряжения контактной сети, чувствительны к ее обрывам и коротким замыканиям.

Сущность полезной модели состоит в том, что в тяговый электропривод, содержащий тяговые асинхронные электродвигатели, входной фильтр, выполненный в виде индуктивности, первым выводом подключенный к контактной сети, вторым - к коммутатору, тормозной прерыватель, тормозной резистор введены: варистор, стабилизатор, накопительный конденсатор, микропроцессорная система управления, датчик напряжения, импульсные датчики частоты вращения электродвигателей. При этом варистор первым выводом соединен со вторым выводом индуктивности входного фильтра, второй вывод варистора соединен с общей шиной устройства. Первый вывод варистора также соединен с коллею-ором транзистора, выполняющего роль коммутатора. Стабилизатор состоит из двух транзисторов, диода и накопительных индуктивности и конденсатора. Тормозной прерыватель выполнен на транзисторе и диоде. Эмиттер транзистора коммутатора соединен с первым выводом накопительной индуктивности и катодом диода стабилизатора, анод которого соединен с общей шиной устройства. Первый и второй транзисторы стабилизатора

Лист 4

соединены последовательно. Эмиттер первого транзистора соединен с общей шиной устройства. Коллектор первого и эмиттер второго транзисторов соединены со вторым выводом накопительной индуктивности стабилизатора. Коллеетор второго транзистора стабилизатора соединен с колле1стором транзистора, выполняющего роль тормозного прерывателя, с первым выводом накопительного конденсатора, с входной шиной инвертора, входом датчика напряжения. Эмиттер транзистора прерывателя соединен с первым выводом тормозного резистора и катодом диода прерывателя. Анод диода прерывателя, второй вывод тормозного резистора, второй вывод накопительного конденсатора, вторая входная шина инвертора, второй вход датчика напряжения соединены с общей шиной устройства, коммутатор, стабилизатор, тормозной прерыватель, инвертор устройства выполнены на биполярных транзисторах с изолированным управляющим электродом-затвором. Параллельно каждому транзистору включены обратные диоды. Затворы всех транзисторов соединены с выходами промежуточных блоков, каждый из которых может управлять двумя последовательно соединенными транзисторами. Входы промежуточных блоков соединены с соответствующими выходами микропроцессорной системы управления. Выходы датчиков частоты вращения и выход датчика напряжения также соединены с соответствующими входами микропроцессорной системы управления.

Лист 5 принципиальная схема тягового электропривода приведена на чертеже,

фиг.. 1.

Устройство состоит из индуктивности 1, варистора 2, транзистора коммутатора 3, диода 3.1 (модули транзисторов с изолированным управляющим электродом-затвором, использованные в устройстве, содержат параллельные транзисторам обратно включенные силовые диоды, номер диода равен номеру транзистора с добавлением после номера транзистора точки и единицы), диода стабилизатора 4, накопительной индуктивности 5, первого транзистора стабилизатора б, диода 6.1, второго транзистора стабилизатора 7, диода 7.1, транзистора тормозного прерывателя 8, диода 8.1, диода тормозного прерывателя 9, тормозного резистора 10, датчика напряжения 11, транзисторов инвертора 12, 13, 14, 15, 16, 17, диодов 12.1; 13.1; 14.1; 15.1; 16.1; 17.1, накопительного конденсатора 18, тяговых электродвигателей 19 и 20, импульсных датчиков частоты вращения 21 и 22, микропроцессорной системы управления 23 (в дальнейшем система управления), промежуточных блоков 24, 25, 26, 27, 28, 29, многопроводных связей 30, 31, 32, 34, 35, 36, соединяющих входы промежуточных блоков с системой управления, однопроводных связей 33, 37, 38, соединяющих выходы датчиков налряжения и частоты вращения с системой управления, общей шины устройства 39, промежуточные блоки имеют встроенные датчики тока и темлературы силовых транзисторов.

Лист 6

Цель полезной модели: ускорение перехода между тяговым и тормозным режимами электропривода, уменьшение веса и габаритных размеров входного фильтра, ограничение входных токов при резких изменениях напряжения контактной сети, в том числе при обрывах и коротких замыканиях, переход на быстродействующие бесконтактные коммутирующие устройства в силовой цепи, поддержание напряжения на входе инвертора напряжения в рабочем диапазоне независимо от уровня напряжения в контактной сети.

Указанная цель достигается применением инвертора напряжения на базе быстродействующих мощных силовых транзисторов, подключенного к накопительному конденсатору и тормозному прерывателю, конденсатор подключается к контактной сети через стабилизатор, стабилизатор состоит из накопительной индуктивности, двух силовых транзисторов и защитных обратных диодов. Все устройство управляется микропроцессорной системой управления.

Устройство работает следующим образом.

После включения привода микропроцессорная система управления сигналом по цепи 30 через промежуточный блок 24 открывает транзистор 3. В первый момент времени напряжение контактной сети превышает напряжение накопительного конденсатора, ток от контактной сети через катушку индуктивности входного фильтра 1, открытый транзистор 3, накопительную индуктивность 5, диод 7.1 начинает заряжать

w ш

Лист

накопительный конденсатор 18. Величина этого тока передается от промежуточных блоков 24 и 25 по цепям 30 и 31 в систему управления 23. При достижении этим током максимально допустимого порога система управления 23 отключает по цепи 30 через промежуточный блок 24 транзистор 3, после чего ток в накопительной индуктивности 5 начинает спадать, причем накопленная в индуктивности 5 энергия переходит в энергию конденсатора 18 до тех пор, пока ток по цепи 4-5-7.1-18-39 не прекратится, благодаря чему конденсатор 18 продолжает заряжаться. После снижения уровня тока до минимального значения система управления 23 вновь открывает транзистор 3, и процесс повторяется. Длительности открытого и закрытого состояний транзистора 3 определяются разницей напряжений между контактной сетью и накопительным конденсатором 18, после того, как эти напряжения сравняются, транзистор 3 останется постоянно открытым.

Режимы работы транзисторов 3,6,7,8 зависят от уровня напряжения на конденсаторе 18, следовательно, и на входе инвертора, уровень напряжения передается от датчика напряжения 11 по цепи 33 в систему управления 23.

Если напряжение конденсатора, определяемое датчиком напряжения 11, ниже минимально допустимого порога, при этом ток в накопительной индуктивности ниже минимального уровня, система управления 23 по цепи 31 включает через промежуточный блок 25 транзистор 6, ток в

Ifi /;

Листе

накопительной индуктивности 5 начинает нарастать ускоренно по цепи 1-35-6-39, так как к ее зажимам приложено полное напряжение контактной сети. После достижения током максимального рабочего порога транзистор 6 отключается системой управления 23 по цепи 31 через промежуточный блок 25. Пороги отключения и включения транзистора 6 выбираются ниже соответствующих порогов для транзистора 3, поэтому при дальнейшем росте тока по цепи 1-3-5-7.1-18-39 отключается транзистор 3, и процесс повторяет процесс первого включения, если же напряжение контактной сети ниже напряжения на входе инвертора, то после отключения транзистора 6 ток в накопительной индуктивности 5 начинает спадать, но конденсатор 18 продолжает заряжаться энергией, накопленной в индуктивности 5. После спадания тока до минимального уровня процесс повторяется. Таким образом, благодаря работе транзистора 6 возможно поддержание напряжения на конденсаторе 18, следовательно, и на входе инвертора, не ниже минимально допустимого уровня, даже при пониженном напряжении контактной сети. После превышения напряжением конденсатора 18 минимально допустимого уровня система управления 23 блокирует открывание транзистора 6, дальнейший рост напряжения на конденсаторе 18 прекращается.

Если напряжение на входе инвертора превышает минимальный рабочий уровень, система управления 23 по цепи 31 через промежуточный блок 25 открывает транзистор 7, разрешается прохождение входного тока

Лист 9

п В обратном направлении по цепи 18-7-5-3.1-1-39. При превышении током

обратного направления максимально допустимого порога система управления 23 отключает транзистор 7, после снижения тока по цепи 6.1-53.1-1-39 до минимального порога снова включает, если в результате протекания обратного тока напряжение на конденсаторе 18 не снизилось ниже минимально допустимого предела.

При превышении напряжением конденсатора 18 максимального рабочего порога система управления 23 отключает транзистор 3, если повышение напряжения продолжается (например, при рекуперации энергии от двигателей в конта1сгную сеть отсутствуют потребители этой энергии в сети), то система управления 23 по цепи 32 через промежуточный блок 26 включает транзистор 8, накопленная конденсатором 18 энергия рассеивается в резисторе 10, при этом ток протекает по цепи 18-8-10-39.

Для предотвращения возникновения перенапряжений, возникающих при отключении транзистора 3 во время протекания входных токов прямого направления, а также при обрывах в контактной сети во время протекания токов обратного направления, в устройство введен мощный варистор 2. Для избежания протекания значительных сверхтоков по варистору 2 , вызванных пиковыми увеличениями напряжения контактной сети от других потребителей, включенных в ту же сеть, варистор подключается к контактной сети через индуктивность входного фильтра 1.

Лист 10

Инвертор напряжения является широтно-импульсным модулятором с тремя выходами, подключенными к входам асинхронных тяговых двигателей 19 и 20. Система управления 23 по связям 34,35,36 через промежуточные блоки 27,28,29 подает на транзисторы 12,13,14,15,16,17 импульсные управляющие сигналы. Транзисторы 12,13,14,15,16,17 работают в ключевом режиме. Частота следования импульсов равна 3 кГц. Скважность импульсов определяет среднее напряжение на выходе инвертора за период следования импульсов. Система управления 23 изменяет скважность для каждого из транзисторов таким образом, чтобы на выходе инвертора средние за период следования импульсов напряжения образовали симметричную трехфазную систему напряжений питания тяговых электродвигателей 19 и 20 с требуемой частотой и амплитудой. Требуемая частота и амплитуда питания асинхронных тяговых двигателей вычисляется системой управления 23 в соответствии с заданным режимом работы с учетом текущей частоты вращения роторов электродвигателей. Текущая частота вращения роторов поступает в систему управления 23 по связям 37 и 38 от датчиков 21 и 22.

При снижении напряжения накопительного конденсатора 18 ниже минимального рабочего уровня система управления 23 не только управляет элементами стабилизатора, но и переводит инвертор в режим выбега, при снижении напряжения ниже минимально допустимого уровня в режим торможения.

Лист 11

Технико-экономические преимущества полезной модели заключаются в следующем.

Применение быстродействующих полностью управляемых ключей транзисторов вместо полууправляемых ключей - тиристоров позволяет увеличить частоту следования импульсов в широтно-импульсном модуляторе, а также поддерживать требуемое среднее за период следования импульсов напряжение независимо от уровня и направления тока.

Повышенная частота следования импульсов, в свою очередь, приводит к уменьшению действующего значения тока высших гармоник.

Применение бесконтактных коммутирующих устройств увеличивает надежность и быстродействие электропривода.

Применение стабилизатора позволяет поддерживать напряжение на входе инвертора в допустимом диапазоне, независимо от уровня напряжения контактной сети, благодаря чему привод всегда готов к торможению, даже при обрывах и коротких замыканиях питающей сети.

Автоматическое ограничение входного тока позволяет избежать больших зарядных токов накопительного конденсатора при значительно меньшей входной индуктивности, что снижает размеры и вес устройства.

Проведена экспериментальная проверка электропривода. Передача конструкторской документации для серийного производства

Лист 12

электропривода применительно к трамвайному вагону будет осуществлена в декабре 1998 года.

Лист 13

Claims (1)

1. Тяговый электропривод, содержащий тяговые асинхронные электродвигатели, входной фильтр, выполненный в виде индуктивности, первым выводом подключенный к контактной сети, вторым - к коммутатору, тормозной прерыватель, тормозной резистор, отличающийся тем, что в него введены варистор, стабилизатор, накопительный конденсатор, микропроцессорная система управления, датчик напряжения, импульсные датчики частоты вращения электродвигателей, при этом варистор первым выводом соединен со вторым выводом индуктивности входного фильтра, второй вывод варистора соединен с общей шиной устройства, первый вывод варистора также соединен с коллектором транзистора, выполняющего роль коммутатора, стабилизатор состоит из двух транзисторов, диода, накопительных индуктивности и конденсатора, тормозной прерыватель выполнен на транзисторе и диоде, эмиттер транзистора коммутатора соединен с первым выводом накопительной индуктивности и катодом диода стабилизатора, анод которого соединен с общей шиной устройства, первый и второй транзисторы стабилизатора соединены последовательно, эмиттер первого транзистора соединен с общей шиной устройства, коллектор первого и эмиттер второго транзисторов соединены со вторым выводом накопительной индуктивности стабилизатора, коллектор второго транзистора стабилизатора соединен с коллектором транзистора, выполняющего роль тормозного прерывателя, с первым выводом накопительного конденсатора, с первой входной шиной инвертора, первым входом датчика напряжения, эмиттер транзистора прерывателя соединен с первым выводом тормозного резистора и катодом диода прерывателя, анод диода прерывателя, второй вывод тормозного резистора, второй вывод накопительного конденсатора, вторая входная шина инвертора, второй вход датчика напряжения соединены с общей шиной устройства, коммутатор, стабилизатор, тормозной прерыватель, инвертор устройства выполнены на биполярных транзисторах с изолированным управляющим электродом-затвором, параллельно каждому транзистору включены обратные диоды, затворы всех транзисторов соединены с выходами промежуточных блоков, каждый из которых может управлять двумя последовательно соединенными транзисторами, входы промежуточных блоков соединены с соответствующими выходами микропроцессорной системы управления, выходы датчиков частоты вращения и выход датчика напряжения также соединены с соответствующими входами микропроцессорной системы управления.