Способ пуска и регулирования скорости движения электроподвижного состава постоянного тока и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на железнодорожном транспорте. Сущность изобретения заключается в том, что для пуска электроподвижного состава на первом этапе тяговые двигатели последовательного возбуждения подключают к выходу источника низкого напряжения при максимальном значении тока через обмотки главных полюсов и плавно увеличивают напряжение на обмотках якорей по мере увеличения скорости движения. На втором этапе пуска уменьшают ток через обмотки главных полюсов постепенно с увеличением скорости движения, поддерживая ток через обмотки якорей на заданном уровне. На третьем, заключительном, этапе пуска увеличивают ток через обмотки главных полюсов до значения, при котором ЭДС тяговых двигателей возрастет до величины, равной напряжению контактной сети, и производят переключение тяговых двигателей к выводу, связанному с контактной сетью. Устройство для осуществления способа содержит полупроводниковый преобразователь инверторного типа с выходом низкого напряжения, преобразователь для подпитки обмоток главных полюсов тяговых двигателей, полупроводниковый переключатель, компаратор напряжения и датчики напряжения контактной сети и тяговых двигателей, содержащее резисторы. Тяговые двигатели связаны с выходом преобразователя через переключатель, а их обмотки главных полюсов включены последовательно в цепь обмоток якорей и подключены к выходу преобразователя. Технический результат изобретений - снижение потерь энергии и улучшение пускового режима. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области силовых преобразовательных устройств и предназначено для питания тяговых двигателей электроподвижного состава постоянного тока магистральных железных дорог.

В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируются электровозы постоянного тока напряжением 3000 В, у которых пусковой режим и регулирование скорости движения осуществляется способом, включающим операции переключения пусковых резисторов контакторами, трехкратное переключение схемы соединения тяговых двигателей, уменьшение тока через обмотки главных полюсов тяговых двигателей шунтированием их резисторами с помощью контакторов. При этом в переходном режиме пуска и регулирования скорости движения электроподвижного состава (ЭПС) затрачивается значительная доля потребляемой на тягу электроэнергии. В установившихся режимах маневровой работы потери электроэнергии значительно возрастают [1].

Многократное переключение большого количества пусковых и шунтирующих резисторов электропневматическими контакторами при больших токах обуславливает их износ и большие эксплуатационные расходы на обслуживание и ремонт ЭПС.

Описанный выше способ пуска ЭПС при последовательном или последовательно-параллельном соединении тяговых двигателей значительно снижает реализуемое тяговое усилие.

Указанные выше недостатки ЭПС могут быть устранены при оборудовании его импульсным преобразователем для регулирования напряжения на тяговых двигателях [2]. Такой преобразователь содержит тиристорный преобразователь, диод и LC-фильтр переменной составляющей тока на входе и сглаживающий реактор в цепи якоря тягового двигателя. Коммутационная способность полупроводниковых приборов импульсного преобразователя должна быть расчитана на полное рабочее напряжение и максимальный суммарный ток двигателей, что обуславливает высокие динамические характеристики тиристоров и диодов.

Достоинства импульсного способа регулирования напряжения и скорости движения ЭПС практически невозможно реализовать из-за значительного увеличения массы и стоимости силового оборудования, входящего в состав широтно-импульсных преобразователей.

Технической задачей предлагаемого изобретения является дальнейшее совершенствование способа регулирования напряжения на тяговых двигателях ЭПС, обеспечивающего сокращение установленной мощности силового оборудования преобразовательных устройств, исключающего необходимость перегруппировки схемы соединения тяговых двигателей в процессе пуска и скорости движения, обеспечивающего возможность увеличения на двигателях от 0 до полного рабочего значения с последующим регулированием скорости движения ЭПС изменением тока через обмотки главных полюсов тяговых двигателей с последовательным возбуждением. Наиболее приемлемым при этом целесообразно использование системы возбуждения тяговых двигателей, выполненной на основе предложенного ранее устройства [3] , технико-экономическая эффективность использования которого на ЭПС подтверждена эксплуатационными испытаниями [4]. Однако при обычной схеме соединения тяговых двигателей последовательного возбуждения необходимо осуществлять уменьшение тока через обмотки главных полюсов либо шунтирующими резисторами, либо преобразователем постоянного тока, что значительно усложняет процесс регулирования.

С целью устранения указанного недостатка необходимо решить дополнительную техническую задачу расширения диапазона изменения тока через обмотки главных полюсов тяговых двигателей в область значений, меньших тока через обмотки якорей.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый способ пуска и плавного регулирования напряжения на тяговых двигателях ЭПС и скорости его движения содержит известные операции изменения напряжения на тяговых двигателях и тока возбуждения плавно в заданном алгоритме, при котором в начальном этапе устанавливают максимальное значение тока возбуждения тяговых двигателей и плавно увеличивают напряжение на обмотках якорей по мере увеличения скорости движения до величины, равной 0,5 напряжения источника питания, затем при заданном значении тока через обмотки якорей по мере увеличения скорости движения плавно уменьшают ток возбуждения, обеспечивая дальнейшее увеличение скорости движения до значения, равного скорости часового режима. На заключительном этапе увеличивают ток возбуждения до величины, при которой ЭДС тяговых двигателей становится равной напряжению контактной сети, и производят перевод питания двигателей непосредственно от контактной сети, а дальнейшее регулирование тока через обмотки последних осуществляют изменением тока возбуждения.

Операция по снижению скорости движения ЭПС до величины маневрового режима включает постепенное увеличение тока возбуждения тяговых двигателей с переводом ЭПС в режим рекуперативного торможения обеспечивая этим возврат электроэнергии в контактную сеть и уменьшение скорости движения до минимально возможной величины при максимальном токе возбуждения, уменьшая при этом ток через обмотки якорей тяговых двигателей и создавая условия для отключения последних от контактной сети в бестоковую паузу.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа, а на фиг.2 - диаграммы, иллюстрирующие его действие.

Устройство (фиг. 1) для осуществления предлагаемого способа пуска и регулирования скорости движения ЭПС содержит полупроводниковый преобразователь инверторного типа постоянного напряжения в постоянное с плавным регулированием 1, преобразователь 2 для подпитки обмоток главных полюсов тяговых двигателей с автономным выходом для каждой из параллельных ветвей двигателей, соединенных по два последовательно, переключатель 3, в состав которого входят тиристор 4 и диоды 5, 6, компаратор напряжения 7 и датчики напряжения 8 - контактной сети и 9 - тяговых двигателей. Оба датчика содержат соответственно резисторы 10, 11 и 12, 13. Выходы указанных датчиков соединены соответственно с не инвертирующим и инвертирующим входами компаратора напряжения 7, а выход последнего связан с управляющим переходом тиристора 4 через устройство гальванической развязки в составе компаратора.

Тяговые двигатели 14-17 ЭПС соединены в 2 группы по 2 последовательно 14,15 и 16,17, а их обмотки главных полюсов 18, 19 и 20, 21 каждой из указанных групп двигателей соединены параллельно между собой и подключены последовательно в цепь соответственно двигателей 14, 15 и 16, 17 и соединены с выводами 22 и 23 преобразователя 2. Общий вывод соединения тяговых двигателей 14-17 соединен с выводом 25 переключателя 3.

Взаимодействие предлагаемого способа пуска ЭПС с устройством (фиг.1) иллюстрируется диаграммами фиг.2. В исходном состоянии напряжение U₁ на выходе преобразователя 1 равно 0, а ток I₂ на выходах 22 и 23 преобразователя 2 имеет минимальное значение.

На первом этапе пуска тяговые двигатели 14-17 подключают к выходу низкого напряжения преобразователя 1, производят увеличение тока I₂ на выходах преобразователя 2 до максимальной величины и осуществляют постепенное увеличение напряжения U на выходе преобразователя 1. При этом ток I₁, равный суммарному значению тока I_дв тяговых двигателей 14-17, поддерживают на заданном уровне по мере увеличения скорости движения ЭПС. Ток возбуждения I_в=I₁+I₂.

На втором этапе пуска после увеличения напряжения U на выходе преобразователя 1 до максимального значения производят уменьшение тока на выходах преобразователя 2 до минимальной величины по мере дальнейшего увеличения скорости движения ЭПС, при которой начнется спад тока I₁ на выходе преобразователя 1 и тока I_дв - через обмотки якорей тяговых двигателей 14-17. Ток возбуждения I_в=I₁+I₂.

На третьем этапе пуска ток I₂ на выходах преобразователя 2 плавно увеличивают до значения, при котором ЭДС U_дв тяговых двигателей 14-17 становится равной напряжению U_кс контактной сети и произойдет срабатывание компаратора напряжения 7 с выдачей сигнала на включение тиристора 4 переключателя 3, что обеспечит подключение тяговых двигателей 14-17 к контактной сети, отключение которых от выхода преобразователя 1 обеспечивается диодом 6 переключателя 3. Ток возбуждения I_в=I₂.

На этом завершается процесс пуска ЭПС и осуществляется обычный режим работы с питанием тяговых двигателей непосредственно от контактной сети и регулированием режима их работы изменением тока I₂ на выходах преобразователя 2, включая перевод ЭПС в режим рекуперативного торможения с возможностью снижения скорости движения в 2 раза плавным увеличением тока I_в через обмотки главных полюсов 18, 19 и 20, 21 тяговых двигателей 14, 15 и 16, 17. Ток I_в=I₁+I₂.

Таким образом, предлагаемый способ пуска и регулирования режима работы ЭПС и устройство для его осуществления обеспечивают возможность бесконтактного плавного регулирования напряжения на тяговых двигателях совместно с изменением тока через обмотки главных полюсов при сохранении системы последовательного возбуждения тяговых двигателей при неизменной схеме их соединения на всех этапах пуска, обеспечивают практически трехкратное уменьшение тока, коммутируемого инвертором напряжениям, и соответствующее уменьшение установленной мощности силового высоковольтного оборудования преобразователя. При этом исключается необходимость переключения обмоток главных полюсов тяговых двигателей при переводе ЭПС в режим рекуперативного торможения.

Предлагаемый способ пуска и регулирования скорости движения ЭПС и устройство для его осуществления обеспечивают маневровый режим работы с минимальными потерями электроэнергии при реализации требуемых для маневровых локомотивов тяговых усилий, снижение вероятности потери сцепления колес с рельсами, сокращение длительности пускового режима.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 1. Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман. Подвижной состав электрических железных дорог / "Транспорт", 1969. С.31-51, 185-194.

2. В. Д. Тулупов. Эффективность электроподвижного состава с импульсным регулированием. Железнодорожный транспорт. 1994. N3, с.46-55. 4, с.49-58.

3. А.С. SU 381566. Устройство для возбуждения тяговых электродвигателей. / Л.Г. Кощеев. Бюллетень изобретений 1973, 22.

4. Л.Г. Кощеев. Повышение эффективности рекуперативного торможения электровоза постоянного тока // Электротехника 1986, N8, с.45-49.

Формула изобретения

1. Способ пуска и регулирования скорости движения электроподвижного состава постоянного тока, содержащий операции изменения напряжения на тяговых двигателях и тока возбуждения, отличающийся тем, что на первом этапе пуска тяговые двигатели последовательного возбуждения подключают к выходу низкого напряжения с плавным регулированием, устанавливают наибольшее значение тока возбуждения и плавно увеличивают ток через обмотки якорей тяговых двигателей до заданной величины, затем по мере увеличения скорости движения плавно увеличивают напряжение на тяговых двигателях, поддерживая на заданном уровне ток через обмотки их якорей; на втором этапе пуска плавно уменьшают ток возбуждения, обеспечивая дальнейшее увеличение скорости движения до заданного значения; на третьем этапе пуска увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ЭДС тяговых двигателей становится равной напряжению контактной сети, и производят перевод питания тяговых двигателей непосредственно от контактной сети, а дальнейшее регулирование режима работы электроподвижного состава осуществляют изменением тока возбуждения как в режиме тяги, так и рекуперативного торможения.

2. Устройство для осуществления способа пуска электроподвижного состава по п.1 содержит первый полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения инверторного типа в постоянное с плавным регулированием, второй преобразователь с падающей нагрузочной характеристикой для подпитки обмоток главных полюсов тяговых двигателей, полупроводниковый переключатель, компаратор напряжения и датчики напряжений тяговых двигателей и контактной сети, отличающееся тем, что тяговые двигатели последовательного возбуждения, соединенные в параллельные ветви по два последовательно в каждой ветви, подключены к выходу низкого напряжения первого преобразователя через силовой полупроводниковый переключатель, содержащий тиристор и два диода, один из которых соединен встречно параллельно с указанным тиристором, анод которого соединен с выводом, связанным с контактной сетью, а катод - с общей точкой соединения тяговых двигателей и катода второго диода, анод которого подключен к выходу первого преобразователя, при этом управляющий переход указанного тиристора через устройство гальванической развязки и усилитель мощности связан с выходом компаратора напряжения, инвертирующий и неинвертирующий входы последнего соединены с выходами датчиков напряжений соответственно тяговых двигателей и контактной сети, при этом обмотки главных полюсов каждой группы тяговых двигателей, соединенных последовательно, соединены параллельно и подключены последовательно в цепь их якорей и связаны с выходами второго преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2