способ управления электромагнитным моментом тяговых двигателей постоянного тока на электроподвижном составе

Формула изобретения

Способ управления электромагнитным моментом тяговых двигателей постоянного тока на электроподвижном составе, включающий регулирование токов возбуждения, отличающийся тем, что в диапазоне частот вращения якорей от нуля до номинальной токи возбуждения устанавливают номинальными, при увеличении частоты вращения якоря выше номинальной токи возбуждения уменьшают обратно пропорционально частоте вращения так, чтобы ЭДС, развиваемая якорями двигателей, была всегда меньше максимального напряжения источника питания якорей, а вращающий момент регулируют путем изменения напряжения источника питания якорей тяговых двигателей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области широкорегулируемого тягового электропривода (ТЭП) переменного тока на базе выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) с двигателями постоянного тока на электроподвижном составе (ЭПС) (электровозы, электропоезда, тепловозы и т.п.).

Известен способ управления электромагнитным моментом ТЭП с последовательным включением в цепь якоря обмотки возбуждения. При этом задают различные значения тока якоря, ток возбуждения поддерживается пропорциональным току якоря, а расширение области работы ТЭП в сторону увеличения скорости движения выше номинальной осуществляют путем включения параллельно обмотке возбуждения резисторов ослабления поля.(Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги: Учебник для вузов ж-д транспорта. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт. 1983.-328 с.)

К принципиальным недостаткам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе требуемая высокая жесткость характеристики ТЭП, реализуемая при трогании ЭПС с места, очень быстро уменьшается с увеличением скорости движения n (обратно пропорционально третьей степени увеличения скорости, ), вследствие чего ТЭП становится склонным к разностному боксованию.

Кроме того, при необходимости перехода от режима тяги к режиму электрического торможения требуется переключение обмоток возбуждения с последовательного соединения на независимое от автономного источника питания, что связано с многочисленными переключениями в силовых цепях электрической схемы и применением дорогостоящих электрических аппаратов на значительные токи (до 1000 А).

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ управления электромагнитным моментом ТЭП, в котором обмотку возбуждения в режиме тяги питают от автономного источника питания. (Независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов. Под ред. А.Т.Головатого. - М.: Транспорт, 1976, 152 с. Авт.: А.Т.Головатый, И.П.Исаев, Е.В.Горчаков.)

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе реализации необходимой силы тяги во всех режимах движения ЭПС ток независимого возбуждения регулируют в зависимости от силы тока якоря, т.e. ток возбуждения является функцией тока якоря. А поскольку на ЭПС тяговые двигатели включены в работу и в электрическом и в механическом отношениях параллельно, то даже при незначительных отклонениях характеристик параллельно работающих тяговых двигателей независимого возбуждения некоторые из них оказывались недогруженными и даже переходящими в генераторный режим, а другие значительно перегружались и выходили из строя из-за недопустимых перегревов их обмоток (см. в.у. книгу Розенфельд и др., стр.90, рис.5.20). Поэтому и этот способ не получил дальнейшего использования.

Задачей предлагаемого способа является обеспечение устойчивой работы тягового электропривода во всех режимах работы электроподвижного состава и упрощение силовой электрической схемы.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе управления электромагнитным моментом тяговых двигателей постоянного тока на электроподвижном составе, при котором токи возбуждения тяговых двигателей регулируют пропорционально токам якорей, введены отличия, заключающиеся в том, что в диапазоне частот вращения якорей от нуля до номинальной токи возбуждения устанавливают равными номинальному, затем токи возбуждения уменьшают обратно пропорционально частоте вращения так, чтобы ЭДС, развиваемая якорем двигателя, была всегда меньше максимального напряжения источника питания якорей, а вращающий момент регулируют путем изменения напряжения источника питания якорей тяговых двигателей.

Особенность способа заключается в том, что при увеличении частоты вращения якоря выше номинальной ток возбуждения уменьшают обратно пропорционально частоте вращения так, чтобы электродвижущая сила (ЭДС), развиваемая якорем двигателя, была всегда меньше максимального напряжения источника питания якорей. При этом сигналом обратной связи служит сигнал от датчика напряжения на якоре тягового двигателя, а регулятор тока возбуждения отслеживает заданную разницу между напряжением на якоре и максимально возможным напряжением на выходе источника питания якорей, задаваемым в виде уставки.

Устройство, реализующее данный способ, представлено чертежом, на котором изображена упрощенная силовая блок-схема с независимым возбуждением тяговых двигателей применительно к электровозу переменного тока с тяговым электроприводом постоянного тока.

Первичная обмотка 1 трансформатора 2 подключена посредством токоприемника 3 к источнику питания - контактному проводу 4 тяговой сети. Ко вторичной обмотке 5 трансформатора 2 подключены: ВИП 6, питающий пульсирующим током якоря 7 тяговых электродвигателей ТЭД М1-М4 через сглаживающие реакторы PC 8, и выпрямительная установка возбуждения ВУВ 9, питающая также пульсирующим током обмотки возбуждения 10 ТЭД OB 1-ОВ 4 через реверсор 11. В цепях токов якорей подключены датчики токов 12 якорей 7.Обмотки возбуждения 10 подключены к блоку выравнивания нагрузок 14. Управление производится при помощи микропроцессорной системы МПСУ 15 программно. В МПСУ 15 поступает информация о напряжении в контактной сети от датчика напряжения 21, о силе токов якорей 7 от датчиков токов 12, силе тока обмоток возбуждения от датчика тока возбуждения 16 и о частоте вращения якорей от датчиков 13. МПСУ 15 содержит программный регулятор 17 напряжения и тока якорей, регулятор тока возбуждения 18. В МПСУ 15 также поступают сигналы от блока задатчиков режимов и уставок 19. Информация о состоянии оборудования, выполняемых режимах и текущих параметрах отображается на блоке индикации - дисплее 20. Информация от МПСУ 15 поступает на выпрямительно-инверторный преобразователь 6, выпрямительную установку возбуждения 9, реверсор 11 и блок выравнивания нагрузок 14.

Способ управления реализуется следующим образом: первичная обмотка 1 трансформатора 2 получает питание через токоприемник 3 от источника электрической энергии - контактного провода 4. Вторичная обмотка 5 питает электроэнергией выпрямительно-инверторный преобразователь 6, ВИП и выпрямительный преобразователь возбуждения 9 ВУВ. В преобразователях 6 и 9 происходит выпрямление переменного тока в постоянный пульсирующий, который питает якори 7 и обмотки возбуждения 10 тяговых электродвигателей M1-М4. Поскольку индуктивные сопротивления якорей имеют малые величины, в их цепи последовательно включены реакторы сглаживающие 8 для снижения уровня пульсаций выпрямленного тока.

От якорей 7 тяговых электродвигателей M1-М4 информация о силе тока и частоте вращения через датчики тока 12 и частоты вращения 13 поступает в микропроцессорную систему управления 15. В эту же систему поступает также информация о силе тока возбуждения через датчик тока возбуждения 16, от задатчиков 19 о режимах работы и уставках нагрузок оборудования тягового электропривода, от реверсора 11, обеспечивающего изменение направления движения электровоза, от блока выравнивания нагрузок (14) и отображается в блоке индикации нагрузок 20.

В микропроцессорной системе управления 15 регулятором 17 напряжения и тока якорей, взаимодействующим с информацией от датчиков токов 12 и датчиков частоты вращения 13 якорей, воздействуют на углы открытия тиристоров в ВИПе 6 и углы открытия тиристоров в ВУВе 9, обеспечивая заданную разность между выходным напряжением ВИПа 6 и ЭДС якорей 7.

В результате перечисленных заданных взаимодействий системы управления обеспечивают требуемую зависимость тока независимого возбуждения от частоты вращения якорей и величины нагрузок в любых режимах движения.

Использование предлагаемого способа управления электромагнитным моментом тяговых двигателей постоянного тока на электроподвижном составе обеспечивает повышение его тяговых свойств на 15-25% в тяжелых переходных режимах и при высоких скоростях движения поездов, а также существенно упрощает силовую электрическую схему.