Система группового энергоснабжения асинхронных тяговых двигателей

 

Изобретение относится к тяговым системам железнодорожного электроподвижного состава, оснащенного асинхронным приводом, и может быть использовано в других отраслях техники, где требуется совместная работа нескольких частотно регулируемых асинхронных двигателей на общую нагрузку. Предложенная система группового энергоснабжения получена путем подключения к выходному трехфазному инвертору вольтодобавочного трехфазного трансформатора и подключения двигателей к разным нерегулируемым отпайкам его вторичных обмоток. Применение данной системы обеспечивает равномерную загрузку всех тяговых двигателей по вращающему моменту во всем диапазоне регулирования их общей нагрузки при минимальном количестве используемых силовых преобразовательных устройств. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к тяговым системам железнодорожного электроподвижного состава, оснащенного асинхронным приводом.

Оно может быть использовано в других отраслях техники, где требуется совместная работа нескольких частотно регулируемых асинхронных двигателей на общую нагрузку.

Известна общая функциональная схема энергоснабжения асинхронных тяговых двигателей электроподвижного состава [1].

Указанная схема предусматривает применение снабженного входным фильтром входного преобразователя напряжения контактной сети и подключенного к нему через промежуточный фильтр выходного преобразователя, к выходу которого подключен асинхронный тяговый двигатель.

Известна система группового энергоснабжения асинхронных тяговых двигателей [2).

Указанная система энергоснабжения состоит из снабженного входным фильтром устройства преобразования напряжения контактной сети в регулируемое напряжение постоянного тока и подключенного к нему через промежуточный фильтр регулируемого по частоте трехфазного автономного инвертора, к выходу которого подключено несколько асинхронных тяговых двигателей.

В такой системе энергоснабжения все двигатели имеют одинаковые по величине U_д и частоте f_д регулируемые питающие фазные напряжения. Учитывая это и то, что роторы двигателей имеют одинаковую скорость вращения N, их относительные скольжения S также будут равны.

В то же время сами двигатели неизбежно имеют различия, в пределах допусков, в параметрах их электрических и магнитных цепей.

Из выражения для вращающего момента М_д асинхронного двигателя [3]: где m - число фаз двигателя; p - число пар полюсов двигателя; U_д - питающее фазное напряжение, подводимое к двигателю; f_д - частота питающего напряжения; r₁ и x₁ - активное и индуктивное сопротивления цепи статора; r'₂ и x'₂ - приведенные к параметрам цепи статора активное и индуктивное сопротивления цепи ротора; - относительное скольжение ротора; - электрическая частота вращения ротора;
c₁ - постоянная двигателя;
видно, что при одинаковых значениях U_д, f_д и S двигатели будут реализовывать разные вращающие моменты _дi. Учитывая высокую жесткость рабочего участка характеристики M_l(S) асинхронных двигателей, это различие имеет существенную величину и по данным [4] может превышать 10%.

Таким образом, основным недостатком рассмотренной системы группового энергоснабжения является то, что она не обеспечивает равномерность загрузки тяговых двигателей по величине вращающего момента и, тем самым, ограничивает возможности повышения тяговой характеристики электроподвижного состава.

Наряду с этим данная система группового энергоснабжения асинхронных тяговых двигателей, ввиду минимального количества входящих в нее силовых преобразовательных устройств, обладает хорошими надежностными, эргономическими и стоимостными показателями.

Известна также наиболее близкая к предлагаемому техническому решению, наиболее распространенная на практике и свободная от указанного недостатка, система энергоснабжения асинхронных тяговых двигателей от индивидуальных трехфазных автономных инверторов [2, 5].

Указанная система энергоснабжения, как и рассмотренная, состоит из снабженного входным фильтром устройства преобразования напряжения контактной сети в регулируемое напряжение постоянного тока, к выходу которого через общий промежуточный фильтр подключено несколько регулируемых по частоте трехфазных автономных инверторов с индивидуально подключенным к каждому из них тяговым двигателем.

Такая система энергоснабжения при равенстве по величине питающих двигатели фазных напряжений U_д позволяет иметь их разную частоту f_дi, а следовательно, обеспечить работу двигателей на разных относительных скольжениях , при которых согласно (1) реализуется равенство вращающих моментов всех двигателей.

Однако такая система энергоснабжения, исключая недостаток рассмотренной, требует увеличения количества силовых трехфазных автономных инверторов в соответствии с числом тяговых двигателей. Это снижает ее надежность, отрицательно отражается на стоимостных, а с учетом ограниченности пространства, и эргономических показателях.

Задачей изобретения является обеспечение возможности равномерной загрузки асинхронных тяговых двигателей при одновременном сокращении количества силовых частотно регулируемых многофазных автономных инверторов, т.е. объединение положительных качеств аналога и прототипа (обеих рассмотренных систем энергоснабжения).

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известной системе группового энергоснабжения асинхронных тяговых двигателей, состоящей из снабженного входным фильтром устройства преобразования напряжения контактной сети в регулируемое напряжение постоянного тока и подключенного к нему через промежуточный фильтр регулируемого по частоте многофазного автономного инвертора к выходу инвертора подключен многофазный вольтодобавочный трансформатор, а указанные двигатели подключены к разным по напряжению, нерегулируемым отпайкам его вторичной обмотки.

На фиг. 1 представлен вариант подключения трех асинхронных тяговых двигателей к предлагаемой системе энергоснабжения.

На фиг. 2 представлена векторная диаграмма одной фазы питающих двигатели напряжений.

Как видно из фиг. 1, предлагаемый вариант системы группового энергоснабжения трех (АД1, АД2 и АД3) асинхронных тяговых двигателей 1 состоит из снабженного входным фильтром 2 устройства преобразования напряжения 3 контактной сети U_с в регулируемое по величине напряжение постоянного тока U_п = var, к выходу которого через промежуточный фильтр 4 подключен регулируемый по частоте трехфазный автономный инвертор 5, преобразующий напряжение постоянного тока U_п = var в трехфазное напряжение (фазы A, B и C) необходимой частоты при фазном напряжении U_и, = var соответствующему напряжению U_п = var.

В отличие от известной системы группового энергоснабжения асинхронных тяговых двигателей к выходу автономного инвертора 5 подключен трехфазный вольтодобавочный трансформатор 6, имеющий первичные 7 и снабженные отпайками 8 вторичные 9 обмотки. Первичные обмотки 7 вольтодобавочного трансформатора 6 включены на фазные напряжения инвертора 5, а его вторичные обмотки 9 включены в соответствующие фазы инвертора 5 через одну из промежуточных отпаек 8 последовательно, что позволяет получать на его выходе напряжения U_дi как большие, так и меньшие напряжения по отношению к величине напряжения U_и выходного инвертора 5.

Тяговые двигатели 1 пофазно также подключены к соответствующим по напряжению отпайкам 8 вторичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 6.

В представленном на фиг.1 варианте предлагаемой системы энергоснабжения подключения обмоток 7 и 8 вольтодобавочного трансформатора 6 по отношению напряжения U_и выходных фаз инвертора 5 соответствуют группе включения звезда/звезда - 4. В целях внесения большей ясности начала первичных обмоток 7 обозначены a₁, b₁ и c₁, а начала фаз вторичной обмотки 9 обозначены a₂, b₂ и c₂.

Предлагаемая система энергоснабжения работает следующим образом.

Как следует из описания предлагаемой системы и фиг. 1, в ней, как и в известной, осуществлено преобразование напряжения контактной сети U_с в регулируемое по величине U_и = var и частоте f_и = var выходное напряжение автономного инвертора 5.

Ввиду наличия на выходе инвертора 5 вольтодобавочного трансформатора 6 и подключения тяговых двигателей 1 к разным отпайкам 8 его вторичной обмотки 9, фазные напряжения на двигателях 1 будут равны векторной сумме или разности фазного напряжения инвертора 5 и соответствующего конкретной отпайке 8 напряжения вторичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 6

и будут соответствовать векторной диаграмме, представленной на фиг. 2, на которой индекс i заменен номером тягового двигателя, а фазным напряжениям инвертора присвоен индекс соответствующей фазы.

Таким образом в предложенной системе энергоснабжения все двигатели 1 будут иметь одинаковую частоту питающего напряжения f_и, иметь одинаковое относительное скольжение S_о их роторов, но, в отличие от рассмотренных систем энергоснабжения, будут иметь разные по величине и фазе напряжения питания . Покажем, что предложенная система энергоснабжения позволяет обеспечить равенство вращающих моментов всех двигателей во всем диапазоне регулирования их нагрузок при постоянстве коэффициентов трансформации k_тi вольтодобавочного трансформатора 6.

Условие равенства вращающих моментов двигателей в данной системе энергоснабжения будет выполнено, если изменения их вращающих моментов Δ М_дi(S), вызванное изменением относительного скольжения Δ S_i=S_i-S_о, будет компенсировано изменением их вращающих моментов Δ М_дi(U), обусловленного разницей питающих напряжений, т.е. при соблюдении равенства:
ΔM_дi(S)+ΔM_дi(U) = 0 (3),
или что то же

Так как равенство (3) или (3а) должно соблюдаться во всем диапазоне регулирования нагрузок двигателей, а их вращающие моменты согласно (1) пропорциональны квадратам питающих напряжений U_дi, должно выполняться и условие:

Покажем, что в предложенной системе энергоснабжения оба условия (3) и (4) могут быть соблюдены.

Найдя соответствующие частные производные от равенства (1) и подставив их значения в равенство (3а), после ряда преобразований, найдем величину приращений напряжений ΔU_дi на двигателях, при которых они будут реализовывать одинаковые вращающие моменты:

где cosϕ_i и η_i - соответственно коэффициент мощности и КПД i-го двигателя.

Из (5) следует, что при регулировании общей нагрузки двигателей и постоянстве их скольжения S_о, для сохранения равенства реализуемых ими вращающих моментов, приращения напряжений ΔU_дi должны изменяться пропорционально величине напряжения U_и инвертора 5, т.е. ΔU_дi=k_i·U_и.

Из векторной диаграммы фиг.2 и равенства (2) на основании теоремы косинусов имеем
U²_дi= U²_и+ΔU²_тi-2·U_иΔU_тi·cosα_i (6),
где α_i - угол между вектором напряжения и вектором напряжения .

В конкретном примере фиг. 1 и фиг.2 для двигателя АД1 α₁ = 120^o, для двигателя АД2 α₂ = 60^o, для двигателя АД3 ΔU_д3=0.

Учитывая, что после подстановки в (6) и ряда преобразований будем иметь:

что соответствует выполнению требования (4), при этом коэффициент трансформации на соответствующей отпайке 8 вторичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 6 будут равны причем знак плюс берется при , а знак минус - при . Таким образом, предложенная система группового энергоснабжения позволяет обеспечить равномерную загрузку двигателей (выполняется равенство (3)) при регулировании общей нагрузки во всем диапазоне на постоянных значениях коэффициентов трансформации вольтодобавочного трансформатора (выполняется требование (4)).

Следует отметить, что указанное положение справедливо для любой группы подключения обмоток вольтодобавочного трансформатора 6 к инвертору 5.

Преимуществом рассмотренного подключения и аналогичных ему подключений по группам звезда/звезда - 2; 8; 10 вольтодобавочного трансформатора 6 к инвертору 5 является то, что оно позволяет получить необходимые приращения ΔU_дi на двигателях за счет частичного перераспределения потребляемой ими реактивной энергии между вольтодобавочным трансформатором 6 и инвертором 5, что улучшает условия его работы при небольших мощностях самого вольтодобавочного трансформатора.

Учитывая, что вольтодобавочный трансформатор 6 в предлагаемой системе группового энергоснабжения должен обеспечить покрытие только недоиспользованной мощности тяговых двигателей, его мощность невелика и может быть определена как:
S_вдт= I_н·U_ин·Σk_тi (8),
где I_н - номинальный ток одного двигателя,
U_ин - номинальное выходное напряжение инвертора.

Реальная величина мощности вольтодобавочного трансформатора, определяемая (8), составляет порядка 5-6% от суммарной мощности питаемых через него тяговых двигателей.

Таким образом, предложенная система группового энергоснабжения асинхронных тяговых двигателей позволяет обеспечить их равномерную загрузку по вращающему моменту и сократить число используемых силовых инверторов до одного, т.е. полностью решить поставленную перед изобретением задачу.

Используемые источники информации:
1. Солодунов А.М. и др. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями /А.М. Солодунов, Ю.М. Иньков, Г.Н. Коваливкер, В.В. Литовченко. - Рига: Зинатне. - 1991. - с. 28-62.

2. Ротанов Н. А. и др. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями /Н.А. Ротанов, А.С. Курбасов, Ю.Д. Быков, В.В. Литовченко. - М.: Транспорт. - 1991. - с. 271- 282.

3. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия. - 1974. - с. 511-514.

4. Исаев И.П. Допуски на характеристики электрических локомотивов. - М.: Транспорт. - 1958. - с. 177-196.

5. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. - М.: Транспорт. - 1983. - с. 188-195.

Формула изобретения

1. Система группового энергоснабжения асинхронных тяговых двигателей, состоящая из снабженного входным фильтром устройства преобразования напряжения контактной сети в регулируемое напряжение постоянного тока и подключенного к нему через промежуточный фильтр регулируемого по частоте многофазного автономного инвертора, отличающаяся тем, что к выходу инвертора подключен многофазный вольтодобавочный трансформатор, а указанные тяговые двигатели подключены к разным по напряжению отпайкам его вторичных обмоток.

2. Система группового энергоснабжения по п.1, отличающаяся тем, что подключение обмоток вольтодобавочного трансформатора выполнено по одной из следующих групп: звезда/звезда-2, звезда/звезда-4, звезда/звезда-8, звезда/звезда-10.

3. Система группового энергоснабжения по п.1, отличающаяся тем, что подключение вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора в выходные фазы инвертора выполнено через промежуточные отпайки.

4. Система группового энергоснабжения по п.1, отличающаяся тем, что отпайки вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора выполнены нерегулируемыми.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2