Меню

Тяговые электроприводы постоянного тока

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1999 года по МПК B60L9/04

Описание патента на изобретение RU2130840C1

Изобретение относится к транспорту, в частности к электроприводам транспортных средств, питающихся от сети постоянного тока, и может быть использовано в машиностроении в электроприводах электрических грузоподъемных машин.

Известны регулируемые электроприводы постоянного тока, питающиеся от контактной электрической сети постоянного тока, с рекуперацией энергии в электрическую питающую сеть при электродинамическом торможении, электрические схемы которых содержат тяговые двигатели постоянного тока, полупроводниковые регуляторы напряжения, выпрямительные диоды и индуктивные дроссели (см. , например, авторское свидетельство СССР N 373188, кл. B 60 B 7/10, оп. 12.03.73, бюл. N И, авторское свидетельство СССР N 861131, кл. B 601.7/22, оп. 07.01.81, бюл. N 33, авторское свидетельство СССР N 1421560, кл. B 60 Б 9/04, оп. 07.09.88, бюлт. N 33)/
Эти устройства не обеспечивают достаточно эффективное повышение коэффициента полезного действия передачи рекуперативной энергии в питающую электрическую сеть, так как ток тягового двигателя в режиме электродинамического торможения передается в питающую сеть импульсами, а не непрерывно.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является электрическая схема управления троллейбусом, содержащая тяговый двигатель постоянного тока с последовательно подключенным к нему тиристорным импульсно-фазовым регулятором постоянного напряжения, индуктивные дроссели, выпрямительные диоды и переключающие контакторы.

Рекуперация энергии в питающую сеть при электродинамическом торможении осуществляется с помощью полупроводникового тиристорного ключа, периодически с определенной частотой закорачивающего цепь двигателя, работающего в режиме генератора, с последовательно включенным индуктивным дросселем, а также выпрямительного диода, включенного в цепь между двигателем и питающей контактной сетью, через который ток двигателя в периоды выключенного состояния тиристорного ключа идет в питающую сеть (см. книгу Л.Я. Коган и др. Устройство и эксплуатация троллейбуса: Учебное пособие для профессионально-технических учебных заведений. — М.: Высш. Школа, 1978, с. 336).

Указанный тяговый электропривод постоянного тока обладает тем недостатком, что ток двигателя в режиме рекуперативного торможения передается в питающую сеть только в периоды выключенного состояния тиристорного ключа, тогда как через обмотки двигателя этот ток протекает непрерывно.

Полезная мощность, передаваемая в питающую сеть при циклической работе электронного ключа, определяется законом Ленца-Джоуля
Pпол = (λI) 2 Rc, (1)
а мощность потерь, затраченная на нагрев обмоток двигателя за время того же цикла
ΔP = I 2 Rr, (2)
где Rc, Rr — сопротивления питающей сети и обмоток двигателя, работающего в режиме генератора;
I — ток двигателя,
λ — коэффициент заполнения диаграммы изменения тока, идущего в систему при импульсном регулировании.

Сопротивление питающей сети определяется по формуле
Rc = U 2 н/PH,
где UH — номинально напряжение нагрузки питающей сети,
PH — номинальная мощность нагрузки питающей сети.

Коэффициент полезного действия передачи рекуперативной энергии от двигателя в питающую сеть

Подставляя (1) и (2) в (4), можно получить

Учитывая физическую основу процесса накопления и отдачи энергии индуктивным сопротивлением вышеописанной схемы, можно доказать, что наибольшая отдача энергии в сеть этой схемой будет иметь место при значениях λ, близких или равных 0,5. Для такого режима

На практике сопротивление нагрузки сети Rc всегда меньше сопротивления двигателя, поэтому в соответствии с (6) практически всегда η UсKт, направление тока в якоре двигателя будет иметь противоположное (отрицательное) значение, а поток электрической энергии будет направлен от двигателя к питающей сети (режим рекуперативного торможения).

Если Eд = UсKт, ток в цепи якоря двигателя будет отсутствовать, что будет соответствовать режиму свободного выбега.

Из выражения (7) можно получить выражение для коэффициента трансформации

Из анализа выражения (8) следует, что для любой скорости вращения двигателя, а следовательно, Eд, для любого режима, т.е. пуска, разгона, выбега или торможения, с помощью регулирования коэффициента трансформации можно устанавливать заданное значение тока тягового двигателя постоянного тока, т. е. регулировать режимы пуска, разгона, выбега и рекуперативного торможения.

Коэффициенты полезного действия полупроводниковых инверторов и трансформаторов очень высокие. Поэтому потери на передачу энергии от источника постоянного тока к двигателю и наоборот незначительны и составляют единицы процентов. Ток, вырабатываемый двигателем в режиме рекуперативного торможения, передается непрерывно, а не в отдельные периоды циклов работы тиристорного ключа, как в прототипе, что повышает коэффициент полезного действия предложенной системы передачи электроэнергии.

Похожие патенты RU2130840C1

Реферат патента 1999 года ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к транспортным средствам, питающимся от сети постоянного тока. Электропривод содержит тяговый двигатель постоянного тока с последовательно подключенным к нему регулятором напряжения, который представляет собой электрическую цепь из двух инверторов, соединенных между собой выводами переменного тока через трансформатор с регулируемым коэффициентом трансформации. Инверторы выполнены с возможностью работы в режиме выпрямителей. В данном электроприводе ток двигателя в режиме электродинамического рекуперативного торможения передается не импульсами, а непрерывно. При этом обеспечивается непрерывное необходимое превышение действующего значения электродвижущей силы над напряжением питающей сети, что предопределяет повышение КПД передачи рекуперативной энергии. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 130 840 C1

1. Электропривод постоянного тока, содержащий тяговый двигатель постоянного тока с последовательно подключенным к нему регулятором напряжения, отличающийся тем, что регулятор напряжения представляет собой электрическую цепь из двух инверторов, соединенных между собой выводами переменного тока через трансформатор с регулируемым коэффициентом трансформации, выводы постоянного тока одного из инверторов подключены к питающей сети, а второго инвертора — к тяговому двигателю постоянного тока, при этом инверторы выполнены с возможностью работы в режиме выпрямителей. 2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что в схеме инверторов включены выпрямители.

Источник



Тяговый электропривод постоянного тока

Тяговый электропривод постоянного тока относится к области железнодорожного транспорта и может быть применен на транспортных средствах с тяговыми двигателями постоянного тока, в частности на электровозах переменного тока с двигателями пульсирующего тока. В процессе разгона включается контактор (14), блок управления (9) формирует управляющий сигнал на выходе, который поступает на биполярный транзистор с изолированным затвором (10) и открывает его. При этом тяговый двигатель переходит в режим ослабленного возбуждения так, как параллельно обмотке возбуждения подключается резистор (4). Для ограничения тока якоря при набросе напряжения в цепь первого источника питания (1) включен датчик напряжения (11), а в цепь якоря тягового двигателя (2) датчик тока (8). При достижении на выходах датчиков тока (8) и напряжения (11) пороговых величин блок управления (9) формирует сигнал выключения биполярного транзистора с изолированным затвором (10). Резистор (5) служит для уменьшения переменной составляющей тока в обмотке возбуждения (13) тягового двигателя. Переход в режим электрического торможения осуществляется замыканием контактора (7) и размыканием контактора (3). Регулирование тока якорной обмотки (2) в режиме торможения осуществляется изменением напряжения независимого источника питания (17), подключенного к обмотке возбуждения (13) контакторами (12) и (15). При обнаружении юза обмотка возбуждения (13) шунтируется включением контактора (14). В этом случае обмотка возбуждения шунтирована резистором (4) и диодом (16), который шунтирует силовой биполярный транзистор с изолированным затвором (10) от обратного напряжения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей тягового электропривода постоянного тока за счет реализации режима электрического торможения, повышении его надежности за счет уменьшения числа элементов и улучшения коммутации при питании тягового двигателя пульсирующим током, уменьшении массогабаритных показателей, 1 ил.

Читайте также:  Генераторы постоянного тока 5квт 1

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и может быть применена на транспортных средствах с тяговыми двигателями постоянного тока, в частности на электровозах переменного тока с тяговыми двигателями пульсирующего тока.

Известен тяговый электропривод постоянного тока, который содержит источник питания, тяговый двигатель постоянного тока, два резистора, десять контакторов, индуктивный шунт (Электровоз ВЛ80С: Руководство по эксплуатации / Н.М.Васько и др. — 2-е изд.. М.: Транспорт, 1990, с.200).

Недостаток тягового электропривода: большие массогабаритные показатели из-за наличия индуктивного шунта, содержащего большое количество цветных металлов.

Известен тяговый электропривод постоянного тока, который содержит два источника питания, два тяговых двигателя постоянного тока, два симмистора, два диода, четыре резистора, семь контакторов, конденсатор, датчик тока, два согласующих блока, блок управления, блок защиты от юза и боксования (RU 43826, B60L 15/08, 2004).

Недостаток тягового электропривода: низкая надежность из-за большого количества элементов, ухудшение коммутации тягового двигателя при питании тягового двигателя пульсирующим током.

Известен тяговый электропривод постоянного тока, который содержит источник питания, два тяговых двигателя постоянного тока, биполярный транзистор с изолированным затвором, три резистора, два датчика тока, три контактора, блок управления (RU 55693, B60L 15/08, 2006 — прототип).

Недостаток тягового электропривода: не реализуется режим электрического торможения, ухудшение коммутации тягового двигателя при питании тягового двигателя пульсирующим током.

Задача полезной модели — расширить функциональные возможности тягового электропривода постоянного тока путем реализации режима

электрического торможения, повысить его надежность за счет уменьшения числа элементов и улучшения коммутации при питании тягового двигателя пульсирующим током, уменьшить массогабаритные показатели.

Технический результат достигается тем, что в тяговый электропривод постоянного тока, содержащий первый источник питания, последовательно соединенные якорную обмотку тягового двигателя постоянного тока, первый контактор, соединенный с общим выводом первого и второго резисторов, последовательно соединенные третий резистор и второй контактор, выход датчика тока соединен с первым входом блока управления, выход которого соединен с затвором биполярного транзистора с изолированным затвором, обмотку возбуждения тягового двигателя постоянного тока, третий контактор, в него дополнительно введены датчик напряжения, диод, второй источник питания, четвертый и пятый контакторы, к общему выводу якорной обмотки тягового двигателя постоянного тока и первого контактора подключен свободный вывод второго контактора, свободный вывод третьего резистора соединен с первыми выводами датчика тока и датчика напряжения и подключен к минусовой клемме первого источника питания, выход датчика напряжения соединен с вторым входом блока управления, второй вывод датчика тока соединен с свободным выводом якорной обмотки тягового двигателя постоянного тока, к общему выводу первого контактора и второго резистора подключены третий контактор и обмотка возбуждения тягового двигателя постоянного тока, свободный вывод которой соединен со свободным выводом второго резистора, вторым выводом датчика напряжения и общим выводом последовательно соединенных четвертого и пятого контакторов и подключен к плюсовой клемме первого источника питания, свободный вывод четвертого контактора соединен с катодом диода и коллектором биполярного транзистора с изолированным затвором, эммитер которого соединен с анодом диода и свободным выводом первого резистора, свободный вывод третьего контактора соединен с плюсовой клеммой второго

источника питания, минусовая клемма которого соединена с свободным выводом пятого контактора.

На чертеже изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого тягового электропривода постоянного тока.

В соответствии с чертежом тяговый электропривод постоянного тока, содержит первый источник питания 1, последовательно соединенные якорную обмотку тягового двигателя постоянного тока 2, первый контактор 3, соединенный с общим выводом первого 4 и второго 5 резисторов, последовательно соединенные третий резистор 6 и второй контактор 7, выход датчика тока 8 соединен с первым входом блока управления 9 (например ADAM-5510, Прософт краткий каталог продукции 6.0, 2001, с.47), его выход соединен с затвором биполярного транзистора 10 с изолированным затвором, к общему выводу якорной обмотки тягового двигателя постоянного тока 2 и первого контактора 3 подключен свободный вывод второго контактора 7, свободный вывод третьего резистора 6 соединен с первыми выводами датчика тока 8 и датчика напряжения 11 и подключен к минусовой клемме первого источника питания 1, выход датчика напряжения 11 соединен с вторым входом блока управления 9, второй вывод датчика тока 8 соединен с свободным выводом якорной обмотки тягового двигателя постоянного тока 2, к общему выводу первого контактора 3 и второго резистора 5 подключены третий контактор 12 и обмотка возбуждения тягового двигателя постоянного тока 13, свободный вывод которой соединен со свободным выводом второго резистора 5, вторым выводом датчика напряжения 11 и общим выводом последовательно соединенных четвертого 14 и пятого 15 контакторов и подключен к плюсовой клемме первого источника питания 1, свободный вывод четвертого контактора 14 соединен с катодом диода 16 и коллектором биполярного транзистора 10 с изолированным затвором, эммитер которого соединен с анодом диода 16 и свободным выводом первого резистора 4, свободный вывод третьего контактора 12 соединен с плюсовой клеммой второго источника питания 17,

минусовая клемма которого соединена с свободным выводом пятого контактора 15.

Тяговый электропривод постоянного тока работает следующим образом. В режиме тяги при замкнутом контакторе 3 биполярный транзистор с изолированным затвором 10 выключен. Тяговый двигатель при этом работает в режиме полного возбуждения. В процессе разгона включается контактор 14, блок управления 9 формирует управляющий сигнал на выходе, который поступает на биполярный транзистор с изолированным затвором 10 и открывает его. При этом тяговый двигатель переходит в режим ослабленного возбуждения так, как параллельно обмотке возбуждения подключается резистор 4 ослабления возбуждения. При изменении напряжения источника питания 1 происходит увеличение тока якорной обмотки 2, который растет значительно быстрее, чем ток в обмотке возбуждения 13, что может привести к недопустимым режимам эксплуатации тягового двигателя. Для ограничения тока якоря при набросе напряжения в цепь первого источника питания 1 включен датчик напряжения 11, а в цепь якоря тягового двигателя 2 датчик тока 8. При достижении на выходах датчиков тока 8 и напряжения 11 пороговых величин блок управления 9 формирует сигнал выключения биполярного транзистора с изолированным затвором 10. При дальнейшем снижении тока якоря до номинальной величины блок управления 9 повторно включает биполярный транзистор с изолированным затвором 10, для предотвращения звонковой работы повторное включение биполярного транзистора с изолированным затвором 10 осуществляется с задержкой времени. Резистор 5 служит для уменьшения переменной составляющей тока в обмотке возбуждения 13 тягового двигателя. Переход в режим электрического торможения осуществляется замыканием контактора 7 и размыканием контактора 3. В режиме торможения ток якоря протекает через резистор 6. Регулирование тока якорной обмотки 2 в режиме торможения осуществляется изменением напряжения независимого источника питания 17, подключенного к обмотке

Читайте также:  Особенности расчета токов короткого замыкания в сетях до 1000 в

возбуждения 13 контакторами 12 и 15. При обнаружении юза обмотка возбуждения 13 шунтируется включением контактора 14. В этом случае обмотка возбуждения шунтирована резистором 4 и диодом 16, который шунтирует силовой биполярный транзистор с изолированным затвором 10 от обратного напряжения.

Предлагаемый тяговый электропривод постоянного тока, реализует поставленную задачу — расширить функциональные возможности тягового электропривода путем реализации режима электрического торможения, повысить его надежность за счет уменьшения числа элементов и улучшения коммутации при питании тягового двигателя пульсирующим током, при уменьшении массогабаритных показателей.

Тяговый электропривод постоянного тока, содержащий первый источник питания, последовательно соединенные якорную обмотку тягового двигателя постоянного тока, первый контактор, соединенный с общим выводом первого и второго резисторов, последовательно соединенные третий резистор и второй контактор, выход датчика тока соединен с первым входом блока управления, выход которого соединен с затвором биполярного транзистора с изолированным затвором, обмотку возбуждения тягового двигателя постоянного тока, третий контактор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик напряжения, диод, второй источник питания, четвертый и пятый контакторы, к общему выводу якорной обмотки тягового двигателя постоянного тока и первого контактора подключен свободный вывод второго контактора, свободный вывод третьего резистора соединен с первыми выводами датчика тока и датчика напряжения и подключен к минусовой клемме первого источника питания, выход датчика напряжения соединен с вторым входом блока управления, второй вывод датчика тока соединен с свободным выводом якорной обмотки тягового двигателя постоянного тока, к общему выводу первого контактора и второго резистора подключены третий контактор и обмотка возбуждения тягового двигателя постоянного тока, свободный вывод которой соединен со свободным выводом второго резистора, вторым выводом датчика напряжения и общим выводом последовательно соединенных четвертого и пятого контакторов и подключен к плюсовой клемме первого источника питания, свободный вывод четвертого контактора соединен с катодом диода и коллектором биполярного транзистора с изолированным затвором, эмиттер которого соединен с анодом диода и свободным выводом первого резистора, свободный вывод третьего контактора соединен с плюсовой клеммой второго источника питания, минусовая клемма которого соединена с свободным выводом пятого контактора.

Источник

Электроприводы постоянного тока

Электроприводы постоянного тока работают за счет электромагнитной индукции и используются для превращения поданной энергии во вращательные или поступательные движения.

Мощность оборудования зависит от конструктивных особенностей, в особенности количества полученного ресурса и его потерь при преобразовании (КПД).

Классифицируют электроприводы по способу возбуждения:

  1. Независимые. Обмотку питает подключаемый источник тока.
  2. Шунтовые. Параллельное подключение обмотки возбуждения и источника питания.
  3. Сериесные. Последовательное подключение.
  4. Компаундные. Совмещают последовательное и параллельное подключение.

Электроприводы постоянного тока применяют на производствах как моторы для станков и других видов машин, в бытовой технике (стиральные машины, пылесосы, фены, часы) и ЖД и автотранспорте.

Данный вид двигателей показывает наилучшие результаты в системах, где требуется:

  • режим работы в 4-х квадрантах с рекуперацией;
  • продолжительная эксплуатация на низких скоростях;
  • динамичное и интенсивное производство – регулярные разгоны и остановки с минимальным выделением тепла при работе;
  • минимальные габариты и вес оборудования;
  • тонкая настройка скорости в широком диапазоне при неизменной мощности.

Электродвигатель постоянного тока не предназначен для работы в загрязненных средах (стандартная степень защиты корпуса IP 23, максимум 54) и требует регулярного ТО.

Как выбрать электропривод постоянного тока

Согласно данным рыночных исследований компании «Интехникс» спрос на двигатели с широким и точным диапазоном регулирования скоростей, в том числе и вверх от номинального значения ежегодно возрастает на 6-8%.

Микропроцессорные силовые статические преобразователи, функциональная составляющая DC и AC электроприводов сглаживают разницу между двумя видами оборудования, но традиционный привод постоянного тока по-прежнему более устойчив к перегрузкам и способен проводить рекуперацию.

При подборе технической оснастки для выполнения производственных задач опираются на 6 факторов:

  1. Цена двигателя, необходимого для эксплуатации комплектующих, монтажа.
  2. Размер текущих расходов на поддержание работоспособности – ТО, аренда площади, КПД.
  3. Габариты, масса и время срабатывания (отклик, разгон, 4-х квадрантные операции, аварийная защита).
  4. Гарантийный срок, соответствие международным и российским отраслевым стандартам.
  5. Влияние на окружение – искажение напряжения в сети, электромагнитная совместимость.
  6. Реализация и эффективность отвода тепла.

Несмотря на относительно высокую стоимость данного вида оборудования, обусловленную сложностью сборки и требовательностью к условиям эксплуатации (по сравнению с асинхронными двигателями), анализ среднестатистических моделей DC и AC показывает преимущества приводов постоянного тока. В том числе для намоточных устройств, испытательных стендов, буровых установок.

Во время модернизации производства производят полную замену техники или ее компонентов, если это рентабельно.

Вместо инсталляции привода переменного тока в синхронном двигателе меняют преобразователь или его модули, внедряют цифровую управляющую электронику вместо аналоговой, приводную систему приводят к частотно-регулируемому виду.

Последнее решение считается специалистами оптимальным, в том случае если финансовые и временные затраты на монтаж не нанесут существенного ущерба работе предприятия.

Больше о современных электроприводах постоянного тока можно узнать на выставке «Электро».

Источник

Тяговый электропривод постоянного тока модернизированного трамвайного вагона «Татра-3Е»

Владимир Кривовяз
Павел Васильев
Вячеслав Маевский

Рассмотрена система управления тяговыми двигателями модернизированного трамвая «Tатра-3Е», позволяющая значительно повысить его электродинамические характеристики до уровня современных моделей трамвайных вагонов и в случае внедрения способная эффективно решить проблему критического износа парка городского электротранспорта.

Цель разработки

В настоящее время в России подавляющее большинство трамваев приводятся в движение тяговыми коллекторными двигателями постоянного тока, и лишь небольшая часть имеет асинхронный электропривод. Для управления коллекторными двигателями на трамваях в основном используется релейно-контакторная схема и специальный мощный реостат с электромеханическим приводом — «ускоритель» (система РКСУ) [1]. Ее основные недостатки — повышенный расход электрической энергии (до 150 Вт·ч/т/км) и низкая надежность ускорителя. Небольшая часть трамваев оборудована тиристорно-импульсной системой управления (ТИСУ), которая обеспечивает расход электрической энергии порядка 110 Вт·ч/т/км и возможность рекуперации. Основной недостаток ТИСУ — наличие узла емкостной коммутации, надежность которой зависит от напряжения контактной сети, тока и параметров нагрузки.

Актуальность разработки обусловлена критическим уровнем износа парка городского электротранспорта, ростом тарифов на электроэнергию и все возрастающими требованиями энергопотребления. Основу трамвайных парков многих городов России составляют трамваи «Татра-3» с устаревшей морально и физически системой РКСУ. Количество вагонов такого типа настолько велико, что полностью заменить их новыми вагонами в ближайшее время не представляется возможным, и трамвайные хозяйства обречены эксплуатировать старые чехословацкие вагоны. Невзирая на почтенный возраст, многие из них продолжают оставаться в строю не только по финансовым соображениям, но и вследствие удачной и надежной конструкции ходовой части и кузова. Содержать устаревшую морально и физически систему РКСУ становится все сложнее, так как запасные части заводом-изготовителем не производятся, а созданные заменители недолговечны, ненадежны, не обеспечивают требуемые характеристики вагона, в составе всего оборудования вагона их работа не гарантируется изготовителями. Многие трамвайные депо имеют развитую ремонтную базу, предназначенную для эксплуатации таких вагонов, поэтому для них переход на новый тип подвижного состава будет сопровождаться дополнительными затратами. Вариант глубокой модернизации сопоставим по стоимости с новым трамвайным вагоном. Оптимальным решением представляется замена тягового электрооборудования вагона, дающего наибольший процент отказов.

Читайте также:  Lgp43dj 17f1 уменьшить ток подсветки

Для модернизации трамвайных вагонов «Татра-3» авторами разработан и внедрен комплект преобразовательного оборудования тягового электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением. Целью разработки являлось создание высокоэффективной, современной, надежной, дешевой системы управления тяговым коллекторным двигателем трамвая «Татра-3», которая должна продлить срок их эксплуатации еще на 15 лет и обеспечить современные требования по электродинамическим параметрам для вновь создаваемых вагонов. Перед проектированием был изучен отечественный опыт разработок систем управления коллекторными двигателями с последовательным возбуждением [2, 3], а также опыт зарубежных фирм (Ganz Ansaldo, Kiepe Elektrik, Cegelec и др.). Для достижения лучших характеристик привода разработана оригинальная силовая схема, не совпадающая на сегодняшний день ни с одной из известных.

Структурная схема электропривода

На вагонах «Татра-3» применяются тяговые двигатели постоянного тока типа TE-022 с последовательным возбуждением. В каждой из двух тележек используется по 2 последовательно соединенных двигателя.

Ключевые требования реконструкции электрооборудования вагона:

  1. Исключение из схемы ускорителя.
  2. Возможность рекуперации электроэнергии.
  3. Разделение тяговых приводов передней и задней тележек.
  4. Использование полупроводникового преобразователя на IGBT-транзисторах.

Структурная схема тягового привода приведена на рис. 1. Конструкция преобразователя UZ представляет собой форму отсека ускорителя и помещается на его место. Контакторы — из имеющихся на вагоне и оставлены в схеме исключительно для удешевления конструкции. Кроме того, на пульте водителя устанавливается опционная информационная панель.

Структурная схема тягового электрооборудования вагона «Татра-3E»

Все работы по переоборудованию вагонов проводятся в условиях трамвайных депо. Силовые схемы электроприводов передней и задней тележек работают независимо. Кроме двигателей и преобразователя, они включают в себя также входные дроссели L1, L2, зарядные резисторы RZ1, RZ2 и тормозные резисторы RT1, RT2.

Преобразователь UZ имеет в качестве ключей IGBT-транзисторы, микропроцессорную систему управления, батареи конденсаторов, датчики тока и напряжения.

Работа электропривода

Полупроводниковый преобразователь является центральным звеном системы управления тягового электропривода. Его силовая часть состоит из двух независимых секций (для передней и задней тележек), объединенных общей микропроцессорной системой управления. Регулирование тягового усилия в преобразователе происходит за счет переключения силовых элементов — IGBT-транзисторов (широтно-импульсное регулирование). Программно-реализованные цифровые регуляторы тока с обратной связью в каждом такте ШИМ формируют управляющие воздействия на силовые ключи в виде импульсов требуемой скважности. Входными воздействиями являются сигналы органов управления в кабине водителя. Выходные сигналы регуляторов тока формируются с учетом текущего состояния силовой схемы, величин скорости, ЭДС, напряжения на батарее конденсаторов, температур транзисторов и др. В режиме торможения генерируемая энергия возвращается обратно в сеть, а при отсутствии в сети потребителей (других трамваев) автоматически включаются тормозные резисторы.

Оригинальные алгоритмы вычисления скорости позволили обойтись без датчика скорости. Это отличает рассматриваемый электропривод от всех остальных схем модернизации. Вычисленная скорость используется не только для индикации в кабине водителя, но и для работы противоюзовой и противобуксовочной систем. В процессе работы производится непрерывная диагностика узлов преобразователя и связанного с ним оборудования вагона с возможностью последующей выдачи сообщений на информационную панель водителя. В реальном времени ведется журнал событий, который можно «пролистать» на дисплее панели водителя.

На рис. 2 изображена в упрощенном варианте силовая схема управления тяговыми двигателями. В рабочем режиме замкнут либо К1, либо К2. Эти контакторы служат для выбора направления тяги двигателя, причем схема соединения якоря с обмоткой возбуждения для торможения при движении «вперед» совпадает со схемой соединения для разгона «назад», и наоборот.

Схема включения тяговых двигателей вагона «Татра-3E»

Рассмотрим принцип работы силовой схемы для случая (условно) движения «вперед». При движении назад работа схемы аналогична, но пути протекания токов обеспечивают другие комбинации элементов. Как в случае разгона, так и при торможении двигатель может работать в двух режимах: с принудительным ослаблением поля (ток возбуждения меньше тока якоря) и без него (токи возбуждения и якоря совпадают по величине).

В режиме разгона без ослабления поля реализуется классическая схема включения коллекторных двигателей с последовательным возбуждением («+» источника питания, ключ V1, обмотка возбуждения, контактор K1, обмотка якоря, «–» источника питания). Широтно-импульсное регулирование тока якоря осуществляется ключами V1, V2. В режиме разгона с ослаблением поля применяется импульсное шунтирование обмотки возбуждения ключом V3.

В режимах торможения размыкается K1 и замыкается K2, широтно-импульсное регулирование тока якоря осуществляется ключами V4, V3. При открытом ключе V4 двигатель включен по схеме динамического торможения с самовозбуждением («–» источника питания, обмотка якоря, контактор K2, обмотка возбуждения, ключ V4, «–» источника питания), ток нарастает. При закрытом ключе осуществляется рекуперативное генераторное торможение («–» источника питания, обмотка якоря, контактор K2, обмотка возбуждения, ключ V3, «+» источника питания), ток спадает, накопленная энергия возвращается источнику питания. В режиме торможения с ослаблением поля применяется импульсное шунтирование обмотки возбуждения ключом V1.

На рис. 3 изображен фрагмент временной диаграммы работы электропривода передней тележки, соответствующий переходу из режима разгона (с ослаблением поля) в режим торможения. На диаграмме: IF — ток обмотки возбуждения; IA — ток якоря; Е — ЭДС двигателя; v — вычисленная скорость. Диаграмма получена экспериментально в процессе ходовых испытаний модернизированного трамвая.

Временная диаграмма работы электропривода вагона «Татра-3E»

Апробация и перспективы

Разработка комплекта преобразовательного оборудования тягового электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением для модернизации трамвайных вагонов «Татра-3» доведена до стадии готовой инновации. В Екатеринбурге с середины мая 2006 года успешно эксплуатируется модернизированный вагон «Татра-3Е», на котором установлен разработанный комплект преобразовательного оборудования. Тягово-энергетические испытания вагона «Татра-3Е» проводились сертифицированной организацией ФГУП Государственный ракетный центр «КБ им. академика В. П. Макеева» по программе, разработанной НИИГЭТ. По решению Межведомственной комиссии по результатам испытаний данный комплект рекомендован к промышленному серийному производству. За год эксплуатации пробег вагона «Татра-3Е» превысил 60 000 км. По результатам испытаний энергопотребление вагона «Tатра-3E» на тягу составило в среднем 41, 42 Вт·ч/т/км.

В целом модернизация позволит экономить в среднем за год более 40% электроэнергии (с учетом отопления вагона и пр.) и увеличить объем перевозок как минимум на 30–40% без увеличения нагрузки на питающую сеть. Помимо экономии электроэнергии, внедрение данной инновации приводит к сокращению эксплуатационных расходов, увеличению пробега, использованию высвобождающегося оборудования при поэтапном проведении модернизации трамвайного парка. Конструктивное исполнение рассмотренного комплекта электрооборудования может быть различным для трамваев других типов, а также троллейбусов.

Источник