RU2778097C1

RU2778097C1 - Method for weakening the field of traction collector motor of ac electric locomotive and device for its implementation

Info

Publication number: RU2778097C1
Application number: RU2022108151A
Authority: RU
Inventors: Александр Юрьевич Портной; Сергей Геннадьевич Шрамко; Олег Валерьевич Мельниченко; Алексей Олегович Линьков; Дмитрий Андреевич Яговкин
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2022-08-15

Abstract

FIELD: electric motors.

SUBSTANCE: inventions group relates to the control of DC electric motors of an electric locomotive. The method for weakening the field of the collector traction motor of an AC electric locomotive consists in the fact that part of the energy of the excitation winding is transmitted and accumulated in an inductance connected in series with the power switch. In this case, the power switch is closed in the time interval from 0 ms to 1 ms after the mains voltage passes through zero and is opened in the interval from 9 ms to 10 ms of the mains voltage half-cycle after the mains voltage passes through zero at a mains frequency of 50 Hz. In this case, during the opening of the key, the energy accumulated in the inductance is transferred to the output of the rectifier-inverter converter. A device for implementing said method is also claimed, which consists of an input diode, a power switch, an inductance, an output diode, a shunt diode, and a power switch control system.

EFFECT: increasing the efficiency and power factor of the electric locomotive.

4 cl, 2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть применено на транспортных средствах с коллекторными тяговыми двигателями пульсирующего тока.The invention relates to the field of railway transport and can be applied to vehicles with commutator pulsating current traction motors.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время на всех отечественных электровозах переменного тока применяются системы ослабления поля (ОП) тягового электродвигателя (ТЭД) не соответствующие современным требованиям по энергоэффективности. Для организации тяжеловесного движения поездов и повышения технической скорости требуется повышать типовую мощность электровоза для создания необходимой силы тяги, при которой возникают дополнительные потери в тяговой сети. В связи с этим задача совершенствования системы ОП ТЭД является актуальной, так как позволит повысить энергетические показатели электровоза.Currently, all domestic AC electric locomotives use field weakening systems (FS) of the traction motor (TED) that do not meet modern energy efficiency requirements. To organize the heavy traffic of trains and increase the technical speed, it is required to increase the typical power of the electric locomotive to create the necessary traction force, at which additional losses occur in the traction network. In this regard, the task of improving the OP TED system is relevant, as it will improve the energy performance of the electric locomotive.

Существуют электровозы переменного тока, имеющие многозонный тиристорный выпрямительно-инверторный преобразователь, подключенный к коллекторным тяговым двигателям, при этом для увеличения скорости предусмотрены три дополнительных ступени ослабления поля, которые реализуются путем подключения резисторов ослабления поля параллельно обмотке возбуждения тягового двигателя и индуктивного шунта, предназначенного для исключения бросков тока и облегчения условий коммутации ТЭД при включении режима ослабления поля, колебаниях напряжения в контактной сети или его восстановлении после кратковременного снятия [Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Тушканов Б. А., Пушкарев Л.А., Позднякова Л.А. и др. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с.]. В настоящее время данное устройство применяется на всех отечественных электровозах переменного тока [Электровоз магистральный 2ЭС5К (ЗЭС5К). Руководство по эксплуатации. Книга 1. Описание и работа. Электрические схемы. ОАО «ВЭлНИИ», 2006 г., 339 с.].There are AC electric locomotives that have a multi-zone thyristor rectifier-inverter converter connected to collector traction motors, while three additional stages of field weakening are provided to increase speed, which are implemented by connecting field weakening resistors in parallel with the excitation winding of the traction motor and an inductive shunt designed to eliminate current surges and facilitating the conditions for switching TED when the field weakening mode is turned on, voltage fluctuations in the contact network or its restoration after a short-term removal [VL85 electric locomotive: Operation manual / Tushkanov B.A., Pushkarev L.A., Pozdnyakova L.A. and others - M.: Transport, 1992. - 480 p.]. Currently, this device is used on all domestic AC electric locomotives [Mainline electric locomotive 2ES5K (ZES5K). Manual. Book 1. Description and work. Electrical circuits. JSC "VelNII", 2006, 339 p.].

Недостатком такого способа является то, что значительная мощность рассеивается на резисторах, что обуславливает сравнительно низкий КПД в режиме ослабления поля.The disadvantage of this method is that a significant power is dissipated in the resistors, which leads to a relatively low efficiency in field weakening mode.

Существует выпрямительно-инверторный преобразователь [Патент на изобретение № RU 2322749 С1. Заявка №2006140957/09 от 20.11.2006, опубликовано: 20.04.2008, Бюл. №11], в котором параллельно выходу выпрямительно-инверторного преобразователя и тягового двигателя в режиме тяги подключен шунтирующий диод, повышающий коэффициент мощности. Недостатком такого решения является то, что возможность повышения энергоэффективности ОП ТЭД не реализуется.There is a rectifier-inverter converter [Patent for invention No. RU 2322749 C1. Application No. 2006140957/09 dated 11/20/2006, published: 04/20/2008, Bull. No. 11], in which a shunt diode is connected in parallel with the output of the rectifier-inverter converter and the traction motor in the traction mode, which increases the power factor. The disadvantage of this solution is that the possibility of improving the energy efficiency of OP TED is not realized.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство ослабления магнитного поля тягового электродвигателя электровоза переменного тока [Патент на изобретение № RU 2700243 С1. Заявка №2018144993 от 19.12.2018, опубликовано: 13.09.2019, Бюл. №26], в котором для шунтирования поля применен IGBT транзистор. Недостатком такого способа является достаточно низкий коэффициент мощности, который можно повысить.Closest to the claimed solution in terms of essential features and the achieved result is a device for weakening the magnetic field of the traction electric motor of an AC electric locomotive [Patent for invention No. RU 2700243 C1. Application No. 2018144993 dated 12/19/2018, published: 09/13/2019, Bull. No. 26], in which an IGBT transistor is used to shunt the field. The disadvantage of this method is a rather low power factor, which can be improved.

Общим техническим результатом применения предлагаемого способа ослабления поля и устройства для его реализации является повышение КПД и коэффициента мощности электровоза переменного тока с коллекторным тяговым приводом.The general technical result of applying the proposed method of field weakening and the device for its implementation is to increase the efficiency and power factor of an AC electric locomotive with a collector traction drive.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Предлагаемый способ ослабления поля коллекторного тягового двигателя электровоза переменного тока заключается в том, что часть энергии обмотки возбуждения передается и накапливается в индуктивности, включенной последовательно с силовым ключом, который включен на интервале времени от 1 мс после перехода сетевого напряжения через ноль до 9 мс полупериода сетевого напряжения, а при отключении ключа, на интервале от 9 мс до окончания полупериода сетевого напряжения и до 1 мс после перехода сетевого напряжения через ноль, передается на выход выпрямительно-инверторного преобразователя.The proposed method for weakening the field of the collector traction motor of an AC electric locomotive consists in the fact that part of the energy of the field winding is transferred and accumulated in the inductance connected in series with the power switch, which is switched on in the time interval from 1 ms after the mains voltage passes through zero to 9 ms of the half-cycle of the mains voltage, and when the key is turned off, in the interval from 9 ms before the end of the half-cycle of the mains voltage and up to 1 ms after the mains voltage passes through zero, it is transmitted to the output of the rectifier-inverter converter.

Устройство, реализующее предлагаемый способ ослабления поля коллекторного тягового двигателя электровоза переменного тока может быть выполнено из входного диода, подключенного анодом к положительному выводу обмотки возбуждения, индуктивности, подключенной к катоду входного диода, силового ключа, подключенного к индуктивности и отрицательному выводу обмотки возбуждения, выходного диода, подключенного анодом к узлу соединения индуктивности и силового ключа, а катодом - к положительному выводу выпрямительно-инверторного преобразователя, шунтирующего диода, подключенного анодом к узлу соединения силового ключа и отрицательного вывода обмотки возбуждения, а катодом - к узлу соединения индуктивности, силового ключа, и анода выходного диода, а также системы управления силовым ключом.A device that implements the proposed method for weakening the field of a collector traction motor of an AC electric locomotive can be made of an input diode connected by the anode to the positive terminal of the excitation winding, an inductance connected to the cathode of the input diode, a power switch connected to the inductance and the negative terminal of the excitation winding, an output diode , connected by the anode to the connection node of the inductance and the power switch, and by the cathode - to the positive terminal of the rectifier-inverter converter, shunt diode connected by the anode to the connection node of the power switch and the negative output of the excitation winding, and by the cathode - to the connection node of the inductance, power switch, and output diode anode, as well as power switch control system.

Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволят повысить КПД и коэффициент мощности электровоза переменного тока с коллекторным тяговым приводом.The proposed method and device for its implementation will increase the efficiency and power factor of an AC electric locomotive with a collector traction drive.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема силовых цепей электровоза в режиме тяги по заявляемому способу ослабления поля.In FIG. 1 shows a functional block diagram of the power circuits of an electric locomotive in the traction mode according to the claimed method of field weakening.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы формирования импульсов управления ключом 7.In FIG. 2 shows the timing diagrams of the formation of control pulses of key 7.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Устройство для реализации способа ослабления поля, подключенное к коллекторному тяговому электродвигателю электровоза в режиме тяги показано на фиг. 1. Выпрямительно-инверторный преобразователь электровоза 1 запитывается от тягового трансформатора 2, в свою очередь запитанного от сети переменного тока напряжением 25 кВ через токоприемник 12. К выходу выпрямительно-инверторного преобразователя подключен тяговый двигатель, состоящий из якоря 3 и обмотки возбуждения 4. Устройство, подключенное к обмотке возбуждения коллекторного тягового двигателя, состоит из входного диода 5, подключенного анодом к положительному выводу обмотки возбуждения 4, индуктивности 6, подключенной к катоду входного диода 5, силового ключа 7, подключенного к индуктивности 6 и отрицательному выводу обмотки возбуждения 4, выходного диода 9, подключенного анодом к узлу соединения индуктивности 6 и силового ключа 7, а катодом - к положительному выводу выпрямительно-инверторного преобразователя 1, шунтирующего диода 10, подключенного анодом к узлу соединения силового ключа 7 и отрицательного вывода обмотки возбуждения 4, а катодом - к узлу соединения индуктивности 6, силового ключа 7, и анода выходного диода 9, а также системы управления силовым ключом 8.The device for implementing the method of field weakening connected to the collector traction motor of the electric locomotive in the traction mode is shown in Fig. 1. The rectifier-inverter converter of an electric locomotive 1 is powered by a traction transformer 2, which, in turn, is powered from an alternating current network with a voltage of 25 kV through a current collector 12. A traction motor is connected to the output of the rectifier-inverter converter, consisting of an armature 3 and an excitation winding 4. A device, connected to the excitation winding of the collector traction motor, consists of an input diode 5 connected by an anode to the positive terminal of the excitation winding 4, an inductance 6 connected to the cathode of the input diode 5, a power switch 7 connected to the inductance 6 and the negative terminal of the excitation winding 4, an output diode 9, connected by the anode to the connection node of the inductance 6 and the power switch 7, and by the cathode to the positive terminal of the rectifier-inverter converter 1, the shunt diode 10, connected by the anode to the connection node of the power switch 7 and the negative terminal of the excitation winding 4, and by the cathode to the node inductance connections 6, power switch 7, and output diode anode 9, as well as power switch control system 8.

Техническим результатом использования устройства является возможность выполнения способа ослабления поля.The technical result of using the device is the possibility of performing a field weakening method.

В качестве силового ключа 7 может использоваться IGBT транзистор. Техническим результатом является возможность исполнения устройства на современной электронной базе.An IGBT transistor can be used as a power switch 7. The technical result is the possibility of executing the device on a modern electronic base.

Между узлом соединения катода входного диода 5, индуктивности 6 и узлом соединения отрицательного вывода обмотки возбуждения 4, силового ключа 7, анода шунтирующего диода 10 может быть подключен конденсатор 11 для улучшения переходных процессов.Between the connection node of the cathode of the input diode 5, the inductance 6 and the connection node of the negative output of the excitation winding 4, the power switch 7, the anode of the shunt diode 10, a capacitor 11 can be connected to improve transients.

Техническим результатом является увеличение надежности устройства.The technical result is to increase the reliability of the device.

Для работы схемы может быть использован следующий алгоритм, проиллюстрированный на фиг. 2.The following algorithm, illustrated in FIG. 2.

Система управления силовым ключом 8 замыкает ключ на интервале времени от 0 мс до 1 мс и размыкает его на интервале от 9 мс до 10 мс полупериода сетевого напряжения после перехода сетевого напряжения через ноль при частоте сети 50 Гц.The power key control system 8 closes the key in the time interval from 0 ms to 1 ms and opens it in the interval from 9 ms to 10 ms of the mains voltage half-cycle after the mains voltage passes through zero at a mains frequency of 50 Hz.

На интервале времени замкнутого ключа 7 ток обмотки возбуждения 4 частично шунтируется через цепь входного диода 5, индуктивность 6, силового ключа 7, а энергия - накапливается в индуктивности 6. При размыкании ключа на интервале времени от 9 мс до окончания полупериода сетевого напряжения и до 1 мс после перехода сетевого напряжения через ноль, ток индуктивности через выходной диод 9 передается на выход выпрямительно-инверторного преобразователя 1. Шунтирующий диод 10 предназначен для увеличения коэффициента мощности схемы путем недопущения отрицательного напряжения на выходе выпрямительно-инверторного преобразователя.On the time interval of the closed key 7, the current of the excitation winding 4 is partially shunted through the circuit of the input diode 5, the inductance 6, the power switch 7, and the energy is accumulated in the inductance 6. When the key is opened in the time interval from 9 ms to the end of the half-cycle of the mains voltage and up to 1 ms after the mains voltage passes through zero, the inductance current through the output diode 9 is transferred to the output of the rectifier-inverter converter 1. Shunt diode 10 is designed to increase the power factor of the circuit by preventing a negative voltage at the output of the rectifier-inverter converter.

Claims

1. Способ ослабления поля коллекторного тягового двигателя электровоза переменного тока, отличающийся тем, что часть энергии обмотки возбуждения передается и накапливается в индуктивности, включенной последовательно с силовым ключом, который замыкается на интервале времени от 0 мс до 1 мс после перехода сетевого напряжения через ноль и размыкается на интервале от 9 мс до 10 мс полупериода сетевого напряжения после перехода сетевого напряжения через ноль при частоте сети 50 Гц, и во время размыкания ключа накопленная в индуктивности энергия передается на выход выпрямительно-инверторного преобразователя.1. A method for weakening the field of a collector traction motor of an AC electric locomotive, characterized in that part of the energy of the field winding is transferred and accumulated in an inductance connected in series with a power switch, which closes in the time interval from 0 ms to 1 ms after the mains voltage passes through zero and opens in the interval from 9 ms to 10 ms of the mains voltage half-cycle after the mains voltage passes through zero at a mains frequency of 50 Hz, and during the opening of the key, the energy accumulated in the inductance is transferred to the output of the rectifier-inverter converter.

2. Устройство для реализации способа ослабления поля по п. 1, подключенное к обмотке возбуждения коллекторного тягового двигателя, отличающееся тем, что состоит из входного диода, подключенного анодом к положительному входу обмотки возбуждения, индуктивности, подключенной к катоду входного диода, силового ключа, подключенного к индуктивности и отрицательному выходу обмотки возбуждения, выходного диода, подключенного анодом к узлу соединения индуктивности и силового ключа, а катодом – к выходу выпрямительно-инверторного преобразователя, шунтирующего диода, подключенного анодом к узлу соединения силового ключа и отрицательного вывода обмотки возбуждения, а катодом – к узлу соединения индуктивности, силового ключа, и анода выходного диода, а также системы управления силовым ключом.2. A device for implementing the field weakening method according to claim 1, connected to the excitation winding of the collector traction motor, characterized in that it consists of an input diode connected by an anode to the positive input of the excitation winding, an inductance connected to the input diode cathode, a power switch connected to the inductance and negative output of the excitation winding, the output diode connected by the anode to the connection node of the inductance and the power switch, and by the cathode to the output of the rectifier-inverter converter, the shunt diode connected by the anode to the connection node of the power switch and the negative output of the excitation winding, and the cathode - to the connection node of the inductance, the power switch, and the anode of the output diode, as well as the power switch control system.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве силового ключа используется IGBT транзистор.3. The device according to claim 2, characterized in that an IGBT transistor is used as a power switch.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что между узлом соединения катода входного диода с индуктивностью и узлом соединения отрицательного вывода обмотки возбуждения с силовым ключом и анодом шунтирующего диода подключен конденсатор.4. The device according to claim 2, characterized in that a capacitor is connected between the connection node of the input diode cathode with inductance and the connection node of the negative terminal of the excitation winding with a power switch and the anode of the shunt diode.