RU2116897C1

RU2116897C1 - Электропривод постоянного тока

Info

Publication number: RU2116897C1
Application number: RU97111575A
Authority: RU
Inventors: Виталий Иванович Кузьминов; Александр Власович Волошин; Владимир Иванович Бугайчук
Original assignee: Частное внедренческое научно-производственное малое предприятие "Витал"
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 1998-08-10
Also published as: UA25882C2

Abstract

Изобретение относится к тяговым электроприводам транспортных средств, питающихся от сети постоянного тока. Технический результат заключается в достижении такого режима, при котором ток тягового двигателя в режиме рекуперации передается не импульсами, а непрерывно, что обеспечивает повышение КПД при передаче рекуперативной энергии. Электропривод содержит тяговый двигатель постоянного тока с последовательно включенным регулятором напряжения, в качестве которого используется инвертор. Выход инвертора через повышающий трансформатор, регулятор переменного тока, выпрямитель и сглаживающий LC-фильтр подключен к питающей сети. Для расширения пределов регулирования тока и напряжения двигателя трансформатор выполнен с регулируемым коэффициентом трансформации. Регулирование мощности двигателя в режиме пуска и разгона, а также потока рекуперативной энергии в питающую сеть в режиме электродинамического торможения производится регулятором переменного тока. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к транспорту, в частности к электроприводам транспортных средств, питающихся от сети постоянного тока, и может быть использовано в машиностроении в электроприводах электрических грузоподъемных машин.

Известны регулируемые электроприводы постоянного тока, питающиеся от контактной электрической сети постоянного тока, с рекуперацией энергии в электрическую питающую сеть при электродинамическом торможении, электрические схемы которых содержат тяговые двигатели постоянного тока, полупроводниковые регуляторы напряжения, выпрямительные диоды и индуктивные дроссели (см., например, авт. св. СССР N 373188, кл. B 60 L 7/10, опубл. 12.03.73, бюл. N 14; авт. св. СССР N 861131, кл. B 60 L 7/22, опубл. 07.01.81, бюл. N 33, авт. св. СССР N 1421560, кл. B 60 L 9/04, опубл. 07.09.88, бюл. N 33).

Эти устройства не обеспечивают достаточно эффективное повышение КПД передачи рекуперативной энергии в питающую электрическую сеть, так как ток тягового двигателя в режиме электродинамического торможения передается в питающую сеть импульсами, а не непрерывно.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является электрическая схема управления троллейбусом, содержащая тяговый двигатель постоянного тока с последовательно подключенным к нему тиристорным импульсно-фазовым регулятором постоянного напряжения, индуктивные дроссели, выпрямительные диоды и переключающие контакторы.

Рекуперация энергии в питающую сеть при электродинамическом торможении осуществляется с помощью полупроводникового тиристорного ключа, периодически с определенной частотой закорачивающего цепь двигателя, работающего в режиме генератора, с последовательно включенным индуктивным дросселем, а также выпрямительного диода, включенного в цепь между двигателем и питающей контактной сетью, через который ток двигателя в периоды выключенного состояния тиристорного ключа идет в питающую сеть [1].

Указанный тяговый электропривод постоянного тока обладает тем недостатком, что ток двигателя в режиме рекуперативного торможения передается в питающую сеть только в периоды выключенного состояния тиристорного ключа, тогда как через обмотки двигателя этот ток протекает непрерывно.

Полезная мощность, передаваемая в питающую сеть при циклической работе электронного ключа, определяется законом Ленца-Джоуля
P_пол= (λI)²R_c, (1)
а мощность потерь, затраченная на нагрев обмоток двигателя за время того же цикла
ΔP = I²R_r (2)
где
R_c, R_r - сопротивления питающей сети и обмоток двигателя, работающего в режиме генератора;
I - ток двигателя;
λ - коэффициент заполнения диаграммы изменения тока, идущего в систему при импульсном регулировании.

Сопротивление питающей сети определяется по формуле

где
U_н - номинальное напряжение нагрузки питающей сети;
P_н - номинальная мощность нагрузки питающей сети.

Коэффициент полезного действия передачи рекуперативной энергии от двигателя в питающую сеть

Подставляя (1) и (2) в (4), можно получить

Учитывая физическую основу процесса накопления и отдачи энергии индуктивным сопротивлением вышеописанной схемы, можно доказать, что наибольшая отдача энергии в сеть этой схемой будет иметь место при значениях λ, близких или равных 0,5. Для такого режима

На практике сопротивление нагрузки сети R_c всегда меньше сопротивления двигателя, поэтому в соответствии с (6) практически всегда η < 0,2.
В основу изобретения поставлена задача создания электропривода постоянного тока, в котором за счет изменения схемы управления тяговым двигателем достигается такой режим, при котором ток тягового двигателя в режиме рекуперации передается не импульсами, действующее значение постоянной составляющей которых меньше действующего значения тока тягового двигателя, а непрерывно, при этом действующее значение постоянного тока, передаваемого в питающую сеть, может устанавливаться не меньше тока тягового двигателя, и при этом система, включающая тяговый двигатель, инвертор, трансформатор и выпрямитель, обеспечивает непрерывное необходимое превышение действующего значения ее ЭДС над напряжением питающей сети, что приводит к повышению КПД передачи рекуперативной энергии.

Поставленная задача решается тем, что в качестве регулятора напряжения в электрической цепи тягового двигателя постоянного тока установлен инвертор, выход которого через повышающий трансформатор, регулятор переменного тока и выпрямитель подключен к питающей сети. Кроме того, в электрической цепи между выпрямителем и сетью включен L-C фильтр, а повышающий трансформатор выполнен с регулируемым коэффициентом трансформации.

С помощью контакторных переключателей в периоды пуска и ускорения цепь, состоящая из последовательно включенного тягового двигателя и инвертора, подключена к питающей сети, а в периоды рекуперативного торможения изменяется полярность подключения якоря двигателя, и цепь, состоящая из двигателя и инвертора, замыкается накоротко.

Регулирование постоянного тока или мощности тягового двигателя в режиме пуска и разгона, а также потока рекуперативной энергии в питающую сеть в режиме электродинамического торможения производится регулятором переменного тока, а в качестве нагрузочного сопротивления системы используется сопротивление нагрузки питающей сети.

На чертеже изображена электрическая схема электропривода постоянного тока.

Электропривод постоянного тока содержит инвертор 1, электродвигатель постоянного тока 2, включенный последовательно с инвертором 1, повышающий трансформатор 3, первичная обмотка которого присоединена к выходу инвертора, а вторичная обмотка через последовательно включенный регулятор переменного тока 4 - к входу выпрямительного моста 5. Выход выпрямительного моста 5 подключен через сглаживающий L - C фильтр, состоящий из дросселя 6 и конденсатора 7, к токоприемникам 8 и 9 питающей сети постоянного тока (на схеме не показана). Цепь, состоящая из последовательно включенных инвертора 1 и тягового двигателя 2, подключена через переключатели 10 и 11 к токоприемникам 8 и 9 контактной питающей сети, либо, во время рекуперативного торможения, - к закорачивающему проводу 12.

Электропривод постоянного тока работает следующим образом.

Пуск и разгон. При подключении инвертора 1 с двигателем 2 к питающей сети (на схеме не показана) с помощью токоприемников 8 и 9 контакторов 10, 11, 13, 14, контакты которых находятся в нормально замкнутых состояниях, соответствующих положению "П" на чертеже, постоянный ток течет от питающей сети постоянного тока через токоприемники 8, 9, контакты контакторов 10, 11, 13, 14, последовательно включенные инвертор 1 и двигатель 2. Ток и напряжение двигателя 2 регулируются благодаря изменению сопротивления инвертора 1 на постоянном токе при регулировке его переменного тока. Этот переменный ток регулируется изменением сопротивления регулятора переменного тока 4, включенного последовательно с выпрямительным диодным мостом 5 в цепь вторичной обмотки трансформатора 3, после выпрямления диодным мостом 5 через сглаживающий L - C фильтр, через токоприемники 8 и 9 замыкается на сопротивление нагрузки питающей сети постоянного тока.

Таким образом, та часть электрической энергии, которая потребляется инвертором 1 при ограничении (регулировании) напряжения на двигателе, возвращается обратно в сеть. Потери на преобразование энергии и ее передачу в вентильных и реактивных элементах инвертора 1, трансформатора 3, регулятора 4, диодного моста 5 и фильтра незначительны. Для расширения пределов регулирования тока и напряжения двигателя трансформатор выполнен с регулируемым коэффициентом трансформации.

При выходе тягового двигателя на режим максимальной мощности вход выпрямительного диодного моста может быть закорочен дополнительным контактором (на схеме не показан).

Электродинамическое рекуперативное торможение. При срабатывании переключающих контакторов 9, 10, 13, 14 и переключении их контактов в положение "Т" (см. чертеж) изменяется полярность подключения якоря двигателя 2. Двигатель 2 с последовательно включенным инвертором 1 через закорачивающий провод 12 замыкаются накоротко. Якорь двигателя, благодаря запасенной в транспортном средстве кинетической энергии, вращается и переходит в режим генератора. В якоре этого двигателя вырабатывается ЭДС. В замкнутом контуре, состоящем из якоря вместе с обмоткой возбуждения двигателя 2 и инвертора 1, протекает ток. При этом в якоре он меняет направление на противоположное, а в обмотке возбуждения и инверторе 1 проходит в прежнем направлении.

Инвертор 1, как и в предыдущем режиме, работает в режиме регулятора напряжения, выполняет функцию ограничительного сопротивления в цепи двигателя 2. Как и в предшествующем режиме пуска и разгона это сопротивление регулируется регулятором переменного тока 4, а рекуперативная энергия, вырабатываемая двигателем в режиме электродинамического торможения, сначала в инверторе 1 преобразуется в энергию переменного тока, затем в повышающем трансформаторе 3 - в энергию переменного тока с более высоким напряжением, которое должно стать больше напряжения питающей сети, затем выпрямительным диодным мостом 5 снова преобразуется в энергию постоянного тока с более высоким напряжением, чем напряжение питающей сети, и через сглаживающий L - C фильтр поступает в питающую сеть, где расходуется другими потребителями питающей сети, т.е. нагрузкой.

Потери на передачу электрической энергии в полупроводниковых элементах и индуктивностях описанной электрической цепи незначительны.

Ток, вырабатываемый двигателем в режиме рекуперативного электродинамического торможения, передается непрерывно, а не в отдельные периоды циклов работы тиристорного ключа, как в прототипе, что повышает КПД описанной системы передачи энергии.

Claims

1. Электропривод постоянного тока, содержащий тяговый двигатель постоянного тока с последовательно подключенным к нему регулятором напряжения, отличающийся тем, что в качестве регулятора напряжения в электрической цепи тягового двигателя установлен инвертор, выход которого через повышающий трансформатор, регулятор переменного тока и выпрямитель подключен к питающей сети.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что в электрической цепи между выпрямителем и питающей сетью включен LC-фильтр.

3. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что повышающий трансформатор выполнен с регулируемым коэффициентом трансформации.