Электропривод постоянного тока

 

Изобретение относится к тяговым электроприводам постоянного тока. Электропривод содержит два токоприемника, автоматический выключатель, реактор и конденсатор входного фильтра, сглаживающий реактор, электродвигатель с обмотками якоря и возбуждения, преобразователь, пусковой, тормозной и вспомогательный контакторы, пусковой, тормозной, вспомогательный и дополнительный диоды, тормозной, ограничивающий, шунтирующий, дополнительный и балластный резисторы, датчики тока и напряжения, блок управления, задатчик режимов и ключ. Преобразователь может включать в себя главный и вспомогательный импульсные прерыватели и обратный диод. Блок управления может включать в себя RS-триггер, источник опорного напряжения, элемент И-НЕ и компаратор. Технический результат заключается в защите электропривода от токов короткого замыкания или перегрузки в тормозном режиме его работы с ограничением перенапряжений на зажимах обмотки якоря электродвигателя. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к тяговым электроприводам постоянного тока.

Известен электропривод, содержащий первый и второй токоприемники, первый и второй автоматические выключатели, реактор и конденсатор входного фильтра, сглаживающий реактор, электродвигатель с обмоткой якоря и обмоткой возбуждения, главный и вспомогательный импульсные прерыватели, тормозной и вспомогательный тиристоры, первый, второй, третий и четвертый контакторы, обратный и тормозной диоды, тормозной и балластный резисторы, датчик тока и датчик напряжения. Главный импульсный прерыватель используется для регулирования напряжения электродвигателя, а вспомогательный импульсный прерыватель - для регулирования его возбуждения [1].

Недостаток известного электропривода состоит в следующем. При чрезмерном нарастании генераторного тока в тормозном режиме (например, при отказе главного импульсного прерывателя или цепей его управления) срабатывает второй автоматический выключатель, установленный в цепь обмотки якоря. После размыкания контактов этого выключателя ток в тормозном контуре прерывается. Быстрое снижение тока в обмотках электродвигателя, обладающих значительной индуктивностью, приводит к возникновению на их выводах напряжения ЭДС самоиндукции. При этом напряжение на зажимах обмотки якоря, определяемое суммой его ЭДС вращения и ЭДС самоиндукции, может возрасти до значений, приводящих к нарушению нормальной коммутации на коллекторе (возникновению кругового огня) и, соответственно, быстрому износу или выходу из строя электродвигателя. Напряжение на зажимах обмотки возбуждения может возрасти до значений, приводящих к выходу из строя вспомогательного импульсного прерывателя, подключенного параллельно этой обмотке.

Известен другой электропривод, содержащий первый и второй токоприемники, автоматический выключатель, реактор и конденсатор входного фильтра, сглаживающий реактор, электродвигатель с обмоткой якоря и обмоткой возбуждения, преобразователь напряжения, пусковой, тормозной и вспомогательный контакторы, пусковой, тормозной, вспомогательный и дополнительный диоды, тормозной, ограничивающий, шунтирующий, балластный и дополнительный резисторы, датчик тока, датчик напряжения, блок управления и задатчик режимов. Преобразователь напряжения может включать в себя обратный диод, главный и вспомогательный импульсные прерыватели. Главный импульсный прерыватель используется для регулирования напряжения электродвигателя, а вспомогательный - для регулирования возбуждения электродвигателя при пуске и для изменения тока в тормозном резисторе при торможении [2].

Недостатком другого известного электропривода является то, что в нем отсутствует защита от чрезмерного нарастания генераторного тока при коротком замыкании в тормозном режиме его работы.

Изобретение решает задачу защиты электропривода от токов короткого замыкания или перегрузки в тормозном режиме его работы с ограничением перенапряжений на зажимах обмотки якоря электродвигателя.

Для решения поставленной задачи в электропривод, содержащий первый и второй токоприемники, первый автоматический выключатель, реактор и конденсатор входного фильтра, сглаживающий реактор, электродвигатель с обмоткой якоря и обмоткой возбуждения, преобразователь напряжения, пусковой, тормозной и вспомогательный контакторы, пусковой, тормозной, вспомогательный и дополнительный диоды, тормозной, ограничивающий, шунтирующий, дополнительный и балластный резисторы, датчик тока, датчик напряжения, блок управления и задатчик режимов, один вывод конденсатора входного фильтра соединен с первым выводом обмотки возбуждения электродвигателя, с анодом дополнительного диода, с первым выводом шунтирующего резистора, с первым выводом балластного резистора и с первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого подключен к анодам тормозного и вспомогательного диодов, катод вспомогательного диода подключен ко второму выводу обмотки возбуждения электродвигателя, второй вывод шунтирующего резистора подключен к первому выводу преобразователя напряжения, катод тормозного диода соединен с анодом пускового диода и с первым выводом обмотки якоря электродвигателя, второй вывод которой соединен с первым выводом пускового контактора и первым выводом тормозного контактора, катод пускового диода соединен со вторым выводом тормозного контактора и с одним выводом сглаживающего реактора, другой вывод которого соединен с первым выводом датчика тока, второй вывод датчика тока подключен ко второму выводу преобразователя напряжения, третий вывод которого соединен со вторым выводом пускового контактора, с другим выводом конденсатора входного фильтра, с первым выводом датчика напряжения и через последовательно соединенные реактор входного фильтра и первый автоматический выключатель - с первым токоприемником, второй вывод датчика напряжения подключен ко второму токоприемнику, к первому выводу тормозного резистора, ко второму выводу балластного резистора и к первому выводу вспомогательного контактора, второй вывод которого подключен к катоду дополнительного диода и к первому выводу ограничивающего резистора, соединенного вторым выводом со вторым выводом тормозного резистора и с четвертым выводом преобразователя напряжения, управляющий вход преобразователя напряжения соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого подключен к выходу датчика тока, второй вход - к выходу датчика напряжения, а третий вход - к выходу задатчика режимов, введен ключ, контакты которого размыкаются при возникновении в тормозном контуре тока короткого замыкания или перегрузки, один вывод ключа подключен ко второму выводу обмотки возбуждения, а другой вывод - ко второму выводу шунтирующего резистора.

В одном случае в качестве ключа в электроприводе может использоваться второй автоматический выключатель.

В другом случае управляющий вход ключа может быть соединен со вторым выходом блока управления. При этом блок управления включает в себя RS-триггер, источник опорного напряжения, элемент И-НЕ и компаратор, один вход которого соединен с первым входом блока управления, второй вход - с выходом источника опорного напряжения, а выход - с одним из входов RS-триггера и одним из входов элемента И-НЕ, другой вход которого соединен с третьим входом блока управления. Другой вход RS-триггера соединен с выходом элемента И-НЕ, а выход - со вторым выходом блока управления, подключенного к управляющему входу ключа.

Преобразователь напряжения может включать в себя обратный диод, главный и вспомогательный импульсные прерыватели, одни выводы которых соединены со вторым выводом преобразователя напряжения и с анодом обратного диода, катод которого соединен с третьим выводом преобразователя напряжения, другой вывод главного импульсного прерывателя соединен с первым выводом преобразователя напряжения, а другой вывод вспомогательного импульсного прерывателя соединен с четвертым выводом преобразователя напряжения.

Благодаря введению в электропривод ключа, один вывод которого подключен ко второму выводу обмотки возбуждения, а другой вывод - ко второму выводу шунтирующего резистора, контакты которого размыкаются при возникновении в тормозном контуре тока короткого замыкания или перегрузки, обеспечивается одновременное ограничение напряжения на зажимах обмотки якоря и генераторного тока при введении в цепь его протекания шунтирующего резистора, параллельно которому подключен конденсатор входного фильтра, а также интенсивное снижение тока обмотки возбуждения и, соответственно, ЭДС вращения электродвигателя под действием падения напряжения на дополнительном резисторе от тока цепи обмотки якоря.

Изобретение поясняется схемами, где изображено: фиг. 1 - функциональная схема электропривода; фиг. 2 - функциональная схема блока управления.

Электропривод содержит первый и второй токоприемники 1 и 2, первый автоматический выключатель 3, реактор 4 и конденсатор 5 входного фильтра, сглаживающий реактор 6, электродвигатель с обмотками 7 и 8 якоря и возбуждения, преобразователь 9 напряжения, пусковой, тормозной и вспомогательный контакторы 10, 11 и 12, пусковой, тормозной, вспомогательный и дополнительный диоды 13, 14, 15 и 16, тормозной, ограничивающий, шунтирующий, дополнительный и балластный резисторы 17, 18, 19, 20 и 21, датчики 22 и 23 тока и напряжения, блок 24 управления, задатчик 25 режимов и ключ 26. Один вывод конденсатора 5 входного фильтра соединен с первым выводом обмотки 8 возбуждения электродвигателя, с анодом дополнительного диода 12, с первым выводом шунтирующего резистора 19, с первым выводом балластного резистора 21, второй вывод которого подключен к анодам тормозного и вспомогательного диодов 14 и 15. Катод вспомогательного диода 15 подключен ко второму выводу обмотки 8 возбуждения электродвигателя и к одному выводу ключа 26, другой вывод которого подключен ко второму выводу шунтирующего резистора 19 и к первому выводу преобразователя 9 напряжения. Катод тормозного диода 14 соединен с анодом пускового диода 13 и с первым выводом обмотки 7 якоря электродвигателя, второй вывод которой соединен с первым выводом пускового контактора 10 и с первым выводом тормозного контактора 11. Катод пускового диода 13 соединен со вторым выводом тормозного контактора 11 и с одним выводом сглаживающего реактора 6, другой вывод которого соединен с первым выводом датчика 22 тока. Второй вывод датчика 22 тока подключен ко второму выводу преобразователя 9 напряжения, третий вывод которого соединен со вторым выводом пускового контактора 10, с другим выводом конденсатора 5 входного фильтра, с первым выводом датчика 23 напряжения и через последовательно соединенные реактор 4 входного фильтра и первый автоматический выключатель 3 - с первым токоприемником 1. Второй вывод датчика 23 напряжения подключен ко второму токоприемнику 2, к первому выводу тормозного резистора 17, ко второму выводу балластного резистора 21 и к первому выводу вспомогательного контактора 12. Второй вывод вспомогательного контактора 12 подключен к катоду дополнительного диода 16 и к первому выводу ограничивающего резистора 18, соединенного вторым выводом со вторым выводом тормозного резистора 17 и с четвертым выводом преобразователя 9 напряжения. Управляющий вход преобразователя 9 напряжения соединен с первым выходом блока 24 управления, первый вход которого подключен к выходу датчика 22 тока, второй вход - к выходу датчика 23 напряжения, а третий вход - к выходу задатчика 25 режимов.

В варианте выполнения электропривода, показанного на фиг. 1, преобразователь 9 напряжения включает в себя главный и вспомогательный импульсные прерыватели 27 и 28, одни выводы которых соединены со вторым выводом преобразователя 9 напряжения и с анодом обратного диода 29, катод которого соединен с третьим выводом преобразователя 9 напряжения. Другой вывод главного импульсного прерывателя 27 соединен с первым выводом преобразователя 9 напряжения, а другой вывод вспомогательного импульсного прерывателя 28 соединен с четвертым выводом преобразователя 9 напряжения.

В варианте выполнения блока 24 управления, показанном на фиг. 2, он включает в себя RS-триггер 30, источник 31 опорного напряжения, элемент И-НЕ 32 и компаратор 33. Один вход компаратора 33 соединен с первым входом блока 24 управления, второй вход - с выходом источника 31 опорного напряжения, а выход - с одним из входов RS-триггера 30 и одним из входов элемента И-НЕ 32, другой вход которого соединен с третьим входом блока 24 управления. Другой вход RS-триггера 30 соединен с выходом элемента И-НЕ 32, а выход - со вторым выходом блока 24 управления.

Электропривод работает следующим образом. Первый токоприемник 1 подключен к положительной шине, а второй токоприемник 2 подключен к отрицательной шине источника питания. Первый автоматический выключатель 3 и ключ 26 включены.

В пусковом режиме работы электропривода замкнуты контакты пускового контактора 10 и вспомогательного контактора 12. Ток обмотки 7 якоря электродвигателя поддерживается на заданном уровне с помощью преобразователя 9 напряжения, изменяющего подводимое к ней среднее значение напряжения. В преобразователе 9 напряжения для этого изменяется коэффициент заполнения главного импульсного прерывателя 27 (отношение длительности включенного состояния главного импульсного прерывателя 27 к длительности периода регулирования). Управляющие сигналы формируются в блоке 24 управления в соответствии с сигналами задатчика 25 режимов и датчика 22 тока, пропорционального по величине току в цепи обмотки 7 якоря электродвигателя. После достижения максимального коэффициента заполнения главного импульсного прерывателя 27 дальнейшее регулирование заданного тока в обмотке 7 якоря осуществляется за счет уменьшения среднего значения тока в обмотке 8 возбуждения. Для этого по команде блока 24 управления начинает изменяться коэффициент заполнения вспомогательного импульсного прерывателя 28 (отношение длительности включенного состояния вспомогательного импульсного прерывателя 28 к длительности периода регулирования). После достижения максимального коэффициента заполнения вспомогательного импульсного прерывателя 28 дальнейшее увеличение частоты вращения электродвигателя происходит по его естественной характеристике при постоянном значении коэффициента ослабления возбуждения.

В тормозном режиме работы электропривода замкнуты контакты тормозного контактора 11 при разомкнутых контактах пускового контактора 10 и вспомогательного контактора 12. Основное регулирование ведется по току обмотки 7 якоря электродвигателя путем изменения коэффициента заполнения главного импульсного прерывателя 27.

На интервалах включенного состояния главного импульсного прерывателя 27 тормозной ток протекает по контуру: обмотка 7 электродвигателя, тормозной контактор 11, сглаживающий реактор 6, датчик 22 тока, главный импульсный прерыватель 27, ключ 26 и обмотка 8 возбуждения электродвигателя с подключенным параллельно им шунтирующим резистором 19, дополнительный резистор 20, тормозной диод 14. На интервалах выключенного состояния главного импульсного прерывателя 27, если мощность, потребляемая внешней нагрузкой, подключенной к шинам источника питания, больше рекуперируемой, ток рекуперации протекает по цепи: обмотка 7 якоря электродвигателя, тормозной контактор 11, сглаживающий реактор 6, датчик 22 тока, обратный диод 29, реактор 4 входного фильтра, первый автоматический выключатель 3, первый токоприемник 1, внешняя нагрузка, второй токоприемник 2, балластный резистор 21, дополнительный резистор 20, тормозной диод 14. На этом же интервале ток обмотки 8 возбуждения электродвигателя замыкается по контуру: обмотка 8 возбуждения, дополнительный резистор 20, вспомогательный диод 15. В случае, если мощность, потребляемая внешней нагрузкой, подключенной к шинам источника питания, меньше рекуперируемой, напряжение на токоприемниках 1, 2 возрастает до максимального заданного значения. При этом в блоке 24 управления в соответствии с сигналами задатчика 25 режимов и датчика 23 напряжения на интервалах выключенного состояния главного импульсного прерывателя 27 формируются управляющие сигналы, обусловливающие включение вспомогательного импульсного прерывателя 28. При этом тормозной ток замыкается по цепи: обмотка 7 якоря электродвигателя, тормозной контактор 11, сглаживающий реактор 6, датчик 22 тока, вспомогательный импульсный прерыватель 28, тормозной резистор 17, балластный резистор 21, дополнительный резистор 20, тормозной диод 14. На этом же интервале ток обмотки 8 возбуждения замыкается по контуру: обмотка 8 возбуждения электродвигателя, дополнительный резистор 20, вспомогательный диод 15.

При возникновении аварийной ситуации в тормозном режиме работы электропривода (короткое замыкание в главном импульсном прерывателе или его включенное состояние при отказе в цепях его управления), как только генераторный ток (ток в обмотках электродвигателя) превышает заданное значение, контакты ключа 26 размыкаются. При размыкании контактов ключа 26 в цепь протекания тока обмотки 7 якоря вводится шунтирующий резистор 19, ограничивающий величину этого тока. При этом наибольшее напряжение на обмотке 7 якоря не превысит падения напряжения от этого тока на шунтирующем резисторе 19, параллельно которому при включенном главном импульсном прерывателе 27 подключен конденсатор 5 входного фильтра. Одновременно, ток обмотки 7 возбуждения, замыкаясь через дополнительный резистор 20 и вспомогательный диод 15, интенсивно спадает до нуля, под действием падения напряжения на дополнительном резисторе 20 от протекающего по нему генераторному току, что обусловливает интенсивное снижение ЭДС вращения электродвигателя.

Зависимость тока в обмотке 8 возбуждения i_В от тока в обмотке 7 якоря i_Я и от времени t, прошедшего с момента размыкания контактов ключа 26, описывается выражением: где R_В - сопротивление обмотки 8 возбуждения; R_д - сопротивление дополнительного резистора 20; L_В - индуктивность обмотки 8 возбуждения.

В соответствии с выражением (1) ток в обмотке 8 возбуждения становится равным нулю при: Из выражения (2) видно, что время с момента размыкания контактов ключа 26 до момента снижения тока в обмотке 8 возбуждения до нуля не зависит от тока в обмотке 7 якоря и определяется только сопротивлением добавочного резистора 20 и сопротивлением и индуктивностью обмотки 8 возбуждения.

В случае, если в качестве ключа 26 используется автоматический выключатель, то его контакты размыкаются, когда генераторный ток превысит уставку его срабатывания.

В случае, когда управляющий вход ключа 26 соединен со вторым выходом блока 24 управления в тормозном режиме работы электропривода, на один из входов элемента И-НЕ 32 с выхода задатчика 25 режимов поступает сигнал в значении логического "0". Если сигнал обратной связи, поступающий с датчика 22 тока на один из входов компаратора 33, не превышает заданного источником 31 опорного напряжения значения, соответствующего максимально допустимому значению генераторного тока, то сигнал на выходе компаратора 33 имеет значение логической "1". При этом выходной сигнал RS-триггера 30, поступающий на управляющий вход ключа 26, имеет определяющее включенное состояние этого ключа значение логической "1". Как только сигнал обратной связи с выхода датчика 22 тока превышает заданное источником 31 опорного напряжения значение, происходит переключение компаратора 33, и сигнал на его выходе принимает значение логического "0". Соответственно изменяет свое состояние и RS-триггер 30, и сигнал на его выходе принимает значение логического "0", определяющее выключенное состояние ключа 26. После размыкания контактов ключа 26 и снижения напряжения сигнала датчика 22 тока до значения, меньшего заданного источником 31 опорного напряжения, компаратор 33 переключается в исходное состояние, когда сигнал на его выходе имеет значение логической "1". Однако RS-триггер 30 будет сохранять свое состояние до тех пор, пока сигнал с выхода задатчика 25 режимов не примет значения логической "1", определяющей отключение тормозного режима работы электропривода. После отключения тормозного режима RS-триггер 30 изменит свое состояние и сигнал на его выходе примет значение логической "1", определяющей включенное состояние ключа 26.

Таким образом, применение заявляемого устройства решает задачу защиты электропривода в тормозном режиме его работы от токов короткого замыкания или перегрузки с одновременным ограничением напряжения на зажимах обмотки якоря.

Источники информации 1. Тиристорный тяговый привод троллейбуса на базе преобразователя с GTO-тиристорами // В.В. Маркин, В.К. Миледин, В.А. Скибинский, Ю.И. Фельдман / Электротехника, 1995, N 9.

2. Патент 2129495 РФ. Электропривод постоянного тока / Б.Е.Суслов, В.И. Трофименко // Открытия. Изобретения, 1999, N 12.

Формула изобретения

1. Электропривод, содержащий первый и второй токоприемники, первый автоматический выключатель, реактор и конденсатор входного фильтра, сглаживающий реактор, электродвигатель с обмоткой якоря и обмоткой возбуждения, преобразователь напряжения, пусковой, тормозной и вспомогательный контакторы, пусковой, тормозной, вспомогательный и дополнительный диоды, тормозной, ограничивающий, шунтирующий, дополнительный и балластный резисторы, датчик тока, датчик напряжения, блок управления и задатчик режимов, один вывод конденсатора входного фильтра соединен с первым выводом обмотки возбуждения электродвигателя, с анодом дополнительного диода, с первым выводом шунтирующего резистора, с первым выводом балластного резистора и с первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого подключен к анодам тормозного и вспомогательного диодов, катод вспомогательного диода подключен ко второму выводу обмотки возбуждения электродвигателя, второй вывод шунтирующего резистора подключен к первому выводу преобразователя напряжения, катод тормозного диода соединен с анодом пускового диода и с первым выводом обмотки якоря электродвигателя, второй вывод которой соединен с первым выводом пускового контактора и с первым выводом тормозного контактора, катод пускового диода соединен со вторым выводом тормозного контактора и с одним выводом сглаживающего реактора, другой вывод которого соединен с первым выводом датчика тока, второй вывод датчика тока подключен ко второму выводу преобразователя напряжения, третий вывод которого соединен со вторым выводом пускового контактора, с другим выводом конденсатора входного фильтра, с первым выводом датчика напряжения и, через последовательно соединенные реактор входного фильтра и первый автоматический выключатель - с первым токоприемником, второй вывод датчика напряжения подключен ко второму токоприемнику, к первому выводу тормозного резистора, ко второму выводу балластного резистора и первому выводу вспомогательного контактора, второй вывод которого подключен к катоду дополнительного диода и первому выводу ограничивающего резистора, соединенного вторым выводом со вторым выводом тормозного резистора и с четвертым выводом преобразователя напряжения, управляющий вход преобразователя напряжения соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого подключен к выходу датчика тока, второй вход - к выходу датчика напряжения, а третий вход - к выходу задатчика режимов, отличающийся тем, что в него введен ключ, контакты которого размыкаются при возникновении в тормозном контуре тока короткого замыкания или перегрузки, один вывод ключа подключен ко второму выводу обмотки возбуждения, а другой - ко второму выводу шунтирующего резистора.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что в качестве ключа используется второй автоматический выключатель.

3. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что управляющий вход ключа соединен со вторым выходом блока управления, который включает в себя RS-триггер, источник опорного напряжения, элемент И - НЕ и компаратор, один вход которого соединен с первым входом блока управления, второй вход - с выходом источника опорного напряжения, а выход - с одним из входов RS-триггера и одним из входов элемента И - НЕ, другой вход которого соединен с третьим входом блока управления, другой вход RS-триггера соединен с выходом элемента И - НЕ, а выход - со вторым выходом блока управления.

4. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что преобразователь напряжения включает в себя обратный диод, главный и вспомогательный импульсные прерыватели, одни выводы которых соединены со вторыми выводами преобразователя напряжения и с анодом обратного диода, катод которого соединен с третьим выводом преобразователя напряжения, другой вывод главного импульсного прерывателя соединен с первым выводом преобразователя напряжения, а другой вывод вспомогательного импульсного прерывателя соединен с четвертым выводом преобразователя напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2