Электровоз с питанием от контактной сети постоянного тока

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к электровозам, питающимся от контактной сети постоянного тока 3 кВ. Сущность полезной модели состоит в том, что в качестве входного преобразователя использован импульсный индуктивно-емкостной преобразователь с последовательно соединенными ключевым элементом, дросселем и конденсатором, а также с диодами, причем общая точка дросселя и конденсатора соединена с заземляющим устройством, а выходные клеммы преобразователя подключены к конденсатору. Технический результат заключается в упрощении электрооборудования электровоза и возможности создания системы электрической тяги с повышенным напряжением.1 з.п. ф-лы, 1ил.

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а точнее к электровозам постоянного тока.

Известны и широко используются на железных дорогах электровозы с питанием от контактной сети постоянного тока напряжением 3 кВ, содержащие тяговые электродвигатели постоянного тока и пусковые резисторы [1].

Их недостатки связаны с особенностями двигателей постоянного тока - наличием коллекторно-щеточного узла, который ограничивает возможности двигателя и соответственно электровоза по мощности и по питающему напряжению, в том числе но напряжению в контактной сети.

Эти недостатки частично устранены в электровозах с асинхронными тяговыми электродвигателями [2]. При этом возможны варианты с повышением напряжения в контактной сети до 24 кВ.

В качестве прототипа принят электровоз с питанием от контактной сети постоянного тока, содержащий токоприемник, выключатель, к которому подключен входной преобразователь для понижения напряжения, асинхронные тяговые электродвигатели, входные клеммы которых соединены с выходом входного преобразователя [3].

Недостаток прототипа состоит в сложности структуры и низкой энергетической эффективности входного преобразователя, который содержит трансформатор большой массы.

Техническое решение по данной заявке заключается в том, что в качестве входного преобразователя использован импульсный индуктивно-емкостной преобразователь с последовательно соединенными ключевым элементом, дросселем и конденсатором, а также с диодами, причем общая точка дросселя и конденсатора соединена с заземляющим устройством, а выходные клеммы преобразователя подключены к конденсатору.

Сущность полезной модели показана на принципиальной схеме по фиг. 1, где показаны токоприемник 1, главный выключатель 2, входной фильтр 3, заземляющее устройство 4. Тяговые модули 5 выполнены многоблочными и содержат каждый идентичные блоки, соединенные параллельно. Каждый модуль содержит ключевой элемент 6, выполненный по типовой схеме [4] на тиристорах или транзисторах, дроссель 7, конденсатор 8, диоды 9 и 10, которые соединены как показано на фиг. 1. Положительный выход ключевого элемента 6 - это общая точка конденсатора 8 и дросселя 7, которая заземлена. Она подключена к положительному входу автономного инвертора 11, причем к отрицательному выходу ключевого элемента 6 автономный инвертор подключен через разделительный диод 12. Трехфазный выход инвертора 11 соединен с асинхронным тяговым электродвигателем 13. Инвертор 11 выполнен по типовой схеме трехфазного инвертора напряжения с регулированием частоты [4].

Количество тяговых модулей 5 определяется мощностью электровоза, т.е. суммарной мощностью электродвигателей 13.

Электровоз работает следующим образом. Входное напряжение U_N=U_KC через токоприемник 1, главный выключатель 2, фильтр 3 прикладывается к ключевым элементам 6 в тяговых модулях 5. Ключевые элементы работают с постоянной частотой , а коэффициент заполнения постепенно увеличивают от _min0 до _max, когда конденсаторы 8 будут заряжены до напряжения U_{C max} (примерно 12001300 В), обеспечивающего максимальную скорость электровоза. При замкнутом ключевом элементе 6 напряжение U_KC приложено к дросселю 7 и ток i_L в нем нарастает. При разомкнутом ключевом элементе 6 образуется цепь "7-8-9-7" и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор 8 током i_L , который постепенно уменьшается. В следующем периоде T работы ключевого элемента 6 процесс повторяется. При этом изменением у можно регулировать среднее значение тока I_L и напряжение на конденсаторе U_C.

Далее это напряжение прикладывается ко входу инвертора 11 и преобразуется в трехфазное напряжение с необходимой для двигателя 13 частотой f_АД =2160 Гц. Таким образом реализуется частотное регулирование асинхронного двигателя, причем напряжение устанавливается ключевым элементом 6, а частота - инвертором 11. При трогании электровоза сначала устанавливают минимальное напряжение U_C=5070 В и минимальную частоту f=24 Гц. Затем по мере разгона электровоза увеличивают напряжение и частоту примерно пропорционально скорости движения электровоза по одному из известных законов частотного или векторного управления асинхронным тяговым двигателем.

Данная система может быть использована при любом напряжении контактной сети U_KC. При повышенных напряжениях должно быть исключено попадание высокого напряжения на инверторы 11 и электродвигатели 13. Поэтому ниже рассмотрены возможные аварийные режимы.

Пробой или постоянное замыкание ключевого элемента приводит к замыканию через дроссель на землю 4 и отключению электровоза главным выключателем 2. На конденсатор 8, инвертор 11 и электродвигатель 13 напряжение не попадает.

Пробой диода 9 приводит к образованию цепи короткого замыкания при замкнутом ключевом элементе 6 через диод 10; электровоз при этом отключается главным выключателем.

Пробой изоляции дросселя 7 и конденсатор 8 также не приводит к попаданию напряжения U_KC на автономный инвертор 11 и электродвигатель 13.

Технико-экономический эффект данной полезной модели заключается в упрощении электрооборудования электровоза и возможности создания системы электрической тяги с повышенным напряжением в контактной сети.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Осипов С.И., Осипов С.С., Феоктистов В.П. Теория электрической тяги. М.: Маршрут, 2006, 436 с.

2. Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. Рига: Зинатне, 1991, 351 с.

3. Тиристорное управление электрическим подвижным составом постоянного тока. Розенфельд В.Е., Шевченко В.В., Майбога В.А., Долаберидзе Г.П. М.: Транспорт, 1976, 240 с.

4. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. М.: Транспорт, 1999, 466 с.

Авторы:

1. Феоктистов Валерий Павлович, докт. техн. наук, профессор кафедры "Электрическая тяга", адрес: 127018, г. Москва, ул. Полковая, д. 20, кв. 5

2. Иньков Юрий Моисеевич, докт. техн. наук, профессор кафедры "Электрическая тяга", ардес: 111398, г. Москва, Кусковская ул., д. 5, кв. 156

3. Литовченко Виктор Васильевич, канд. техн. наук, доцент кафедры "Электрическая тяга", адрес: 119021, г. Москва, переулок Хользунова, д. 10, кв. 19

4. Бредихина Яна Алексеевна, студентка гр. АТЭ-411, лаборант кафедры "Электрическая тяга", адрес: 301369, Тульская обл., г. Алексин, ул. 50 лет Октября, д. 12, кв. 9

Электровоз с питанием от контактной сети постоянного тока, содержащий токоприёмник, главный выключатель, входной фильтр, тяговые модули, каждый из которых включает в себя входной импульсный преобразователь, автономный инвертор, и асинхронный тяговый двигатель, и заземляющее устройство, причем к токоприемнику через главный выключатель и входной фильтр подключен входной импульсный преобразователь тягового модуля, выходные клеммы которого соединены со входами автономного инвертора, нагруженного на асинхронный тяговый электродвигатель, отличающийся тем, что в качестве входного импульсного преобразователя тягового модуля использован импульсный индуктивно-конденсаторный преобразователь с последовательно соединенными ключевым элементом, дросселем и конденсатором, а также с диодами, причем общая точка дросселя и конденсатора соединена с заземляющим устройством, а выходные клеммы ключевого элемента подключены к конденсатору.