Электровоз постоянного тока
Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к электровозам, питающимся от контактной сети постоянного тока. Техническим результатом данной полезной модели является значительное снижение массы и габаритных размеров электрооборудования электровоза. Сущность полезной модели состоит в том, что каждый блок управления автономного инвертора снабжен синхронизатором выходной, причем синхронизаторы выходной частоты инверторов выполнены с взаимным фазовым сдвигом, кратным количеству выходных инверторов. Использование заявляемой полезной модели на железнодорожном транспорте позволит существенно снизить массу и габаритные размеры электрооборудования электровоза, а также повысит надежность работы устройств железнодорожной автоматики, использующих рельсовые цепи, за счет уменьшения: 1) пульсаций тока в обмотках тяговых электродвигателей и 2) влияния тока, потребляемого электровозом на устройства железнодорожной автоматики. 1 зв.п.ф., 3 ил.
Данная полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а точнее к электровозам, питающимся от контактной сети постоянного тока.
Широко используются электровозы с питанием от контактной сети постоянного тока 3 кВ, содержащие ходовую часть, токоприемник, тяговые электродвигатели и электрооборудование для регулирования режимов работы электровозов [1].
Недостаток таких электровозов и системы электрической тяги постоянного тока с напряжением 3 кВ связан с относительно невысоким напряжением в контактной сети. Это требует большого сечения контактного провода, малого расстояния между тяговыми подстанциями, т.е. больших капитальных затрат на систему энергоснабжения.
Этот недостаток частично устранен в электровозе постоянного тока повышенного напряжения, который содержит ходовую часть с тяговыми электродвигателями, каждый из которых имеет свой преобразователь (например, автономный инвертор напряжения) для регулирования частоты вращения роторов электродвигателя и силы тяги, общий токоприемник с защитным электрооборудованием, подключенный к комплекту идентичных параллельно включенных автономных инверторов с общим входным фильтром высших гармоник тока, причем каждый инвертор имеет блок управления и нагружен на свой преобразователь для регулирования режимов работы тягового электродвигателя [2]. Этот электровоз был принят в качестве прототипа полезной модели.
Недостаток прототипа - это большая масса электрооборудования и генерация высших гармоник тока в тяговую сеть.
Техническим результатом данной полезной модели является значительное снижение массы и габаритных размеров электрооборудования электровоза, а также уменьшение пульсаций тока в обмотках тяговых электродвигателей и уменьшение влияния тока, потребляемого электровозом на устройства железнодорожной автоматики, использующие рельсовые цепи. Сущность полезной модели состоит в том, что каждый блок управления автономного инвертора снабжен синхронизатором выходной частоты, причем синхронизаторы выходной частоты инверторов выполнены с взаимным фазовым сдвигом, кратным количеству выходных инверторов.
Предложенный электровоз (фиг.1, 2) содержит токоприемник 1 с защитным устройством 2, к которому подключены автономные инверторы 3 и 4. В данном примере инверторы выполнены на транзисторах, но могут выполняться на тиристорах. В последнем случае инвертор дополняется узлом принудительной коммутации. Предусмотрен общий для инверторов фильтр 5 высших гармоник.
Каждый инвертор 3 и 4 имеет свой блок управления 6 и 7 соответственно; эти блоки подключены к общему блоку синхронизации 8, инверторы 3 и 4 с блоками 6-8 выполнены по типовым схемам автономных инверторов с однофазным выходом [3].
Выходами инверторов 3 и 4 являются однофазные понизительные трансформаторы 9 и 10. Их вторичные обмотки секционированы в отношении 0.5, 0.25, 0.25 и при помощи контакторов 11-16 подключены к однофазным управляемым выпрямителям 17-18, которые выполнены по типовым схемам [4].
На выходе выпрямителей 17-18 включены сглаживающие реакторы 19-20. При помощи их выходы выпрямителей 17-18 подключены к преобразователям 21-22 (см. фиг.2) для регулирования тяговых электродвигателей 23-24. Конкретно рассматривается электровоз с мономоторными тележками. Поэтому на 4-осной секции установлено два двигателя 23-24. Поскольку эти комплекты идентичны, поэтому на фиг.2 показан один комплект с автономным инвертором 21 (22) и асинхронным тяговым двигателем 23 (24). Они являются типовыми узлами современного тягового привода электровозов [5].
Электровоз по фиг.1-2 работает следующим образом (фиг.3). При наличии напряжения 24 кВ постоянного тока на токоприемнике 1 и включенном защитном аппарате 2 инверторы 3 и 4 формируют на своих выходных зажимах переменное однофазное напряжение (фиг.3, а и 3, б) со сдвигом по фазе в полпериода Т/2.
Для облегчения массы электрооборудования частота выходного напряжения инверторов может быть повышенной, например 200 или 400 Гц (Т=5 или 2,5 мкс), а при применении IGB-транзисторов частоту выходного напряжения инверторов можно увеличить до 1,0
1,5 кГц. При этом облегчается сглаживание пульсаций тока в контактной сети и на двигателях.
Указанное на фиг.3 выходное напряжение инверторов понижается трансформаторами 9 и 10, так, что на их вторичных обмотках имеется напряжение величиной 1000-1200 В (обмотке 9/2 и 10/2). Эти обмотки 9/2 и 10/2 питают выпрямители 17-18 через контакторы 11-13 (14-16). Благодаря этому осуществляется зонно-фазовое регулирование выходного напряжения выпрямителей, как это в качестве иллюстрации показано на фиг.3, д на примере одного трансформатора (ступени регулирования S: 25, 50 и 100% от 1000-1200 В). Угол регулирования 
меняется в пределах 0-180 эл. град. Сам процесс регулирования реализуется также, как и на электровозах переменного тока ВЛ80Р, ВЛ85 и др. [6].
Выпрямленное напряжение U 17-U18 сглаживается реакторами 19 и 20 и прикладывается ко входам автономных инверторов 21-22, которые питают асинхронные тяговые двигатели 23-24 (фиг.2 и 3). На фиг.3, е представлены первые гармоники напряжений, прикладываемых к обмоткам A, B, C тяговых электродвигателей. При этом осуществляется частотное регулирование частоты вращения роторов двигателей 23-24 и соответственно регулирование скорости движения электровоза.
Поскольку тяговая сеть постоянного тока весьма чувствительна к гармоническому составу потребляемого электровозом тока, то наряду с установкой типового фильтра 5 (обычно LC-типа) применяют сдвиг по фазе работы блоков управления 6-7. Их входы подключены к синхронизатору 8, который в каждом периоде Т включает блоки 6 и 7 с взаимным сдвигом T/m, где m - количество инверторов 3, 4,
Эффективность предложенного решения по сравнению с прототипом определяется снижением массы электрооборудования за счет повышения рабочей частоты инверторов 3-4 (это возможно путем применения IGB-транзисторов) и за счет синхронизации блоков управления инверторами. Поскольку грузовые электровозы обычно выполняют 8-осными (ВЛ10, ВЛ11) или 12-осными (ВЛ15, 1,5 ВЛ11), то амплитуда высших гармоник снижается соответственно в m=2 или m=4 раза.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1 Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижной состав электрических железных дорог. Учебник для вузов ж.-д. трансп. - 4-е издание, перераб. и доп. - М.; Транспорт, 1980. - 471 с.
2 Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. Учебник для вузов ж.-д. транспорта - М; Транспорт, 1999. - 464 с.
3 Устройства силовой электроники железнодорожного подвижного состава: учеб. пособие /В.М. Антюхин, А.А. Богомяков, Ю.А. Евсеев и др.; под. ред. Ю.М. Инькова и Ф.И. Ковалева. - М.: ФГБОУ "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте", 2011. - 471 с).
4 Полупроводниковые выпрямители. Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой, М., "Энергия", 1967, 480 с.
5 Солодунов А.М., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства для электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. - Рига: Зинатне, 1991. - 351 с.
6 Электровоз ВЛ80Р. Руководство по эксплуатации. / под ред. Б.А. Тушканова. - М: Транспорт, 1985. - 541 с.
Электровоз постоянного тока, содержащий ходовую часть с тяговыми электродвигателями переменного тока, каждый из которых имеет свой преобразователь для регулирования частоты вращения роторов двигателей и силы тяги электровоза, общий токоприемник с защитным электрооборудованием, подключенный к комплекту идентичных параллельно включенных автономных инверторов с общим входным фильтром гармоник, причем каждый инвертор имеет блок управления с синхронизатором выходной частоты, а выходные зажимы каждого инвертора подключены к блоку "понизительный трансформатор - управляемый выпрямитель", нагруженному на преобразователь для регулирования режимов работы тягового электродвигателя, отличающийся тем, что синхронизаторы выходной частоты инверторов выполнены с взаимным фазовым сдвигом, кратным количеству автономных инверторов.
