RU2619925C1 - Traction electric drive - Google Patents

Traction electric drive Download PDF

Info

Publication number
RU2619925C1
RU2619925C1 RU2015157059A RU2015157059A RU2619925C1 RU 2619925 C1 RU2619925 C1 RU 2619925C1 RU 2015157059 A RU2015157059 A RU 2015157059A RU 2015157059 A RU2015157059 A RU 2015157059A RU 2619925 C1 RU2619925 C1 RU 2619925C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phase windings
phase
stator
windings
input terminals
Prior art date
Application number
RU2015157059A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Юльянович Сувалко
Original Assignee
Акционерное общество "Конструкторское бюро специального машиностроения"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Конструкторское бюро специального машиностроения" filed Critical Акционерное общество "Конструкторское бюро специального машиностроения"
Priority to RU2015157059A priority Critical patent/RU2619925C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2619925C1 publication Critical patent/RU2619925C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors
    • B60L9/18—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from dc supply lines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/515—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/525—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with automatic control of output waveform or frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: traction electric drive contains input terminals A, B, C for connecting a direct current feeder, switching elements and an electric motor including a rotor surrounded by a stator containing three-phase windings. The three-phase windings are designed to provide, in conjunction with the corresponding switching elements, the modulation of the electric power parameters of the supply network direct current. The stator has three equally executed parts, which are arranged in series along the short-circuited rotor. Each of the stator parts includes two three-phase windings. In each of the parts, the initial terminals of the phase windings of one three-phase winding and the ends of the phase windings of the other three-phase winding are connected to the corresponding input terminals A, B and C, and the other terminals of each of the three-phase windings are connected to the switching element corresponding to this three-phase winding. One of the input terminals is connected to the positive terminal of the power supply, and the other two - to the negative terminal of the latter. The switching element is made in the form of a three-phase diode bridge with an electronic switch in the DC circuit. Phase windings of the three-phase windings of one part of the stator are connected in series to the input terminals A, B, C, respectively, and the phase windings of the three-phase windings of the other stator parts are connected in series to the input terminals B, C, A and C, A, B.
EFFECT: expanding the functionality, areas of use, and reducing the mass-dimensions of the frequency drive.
8 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано в качестве тягового привода трамваев, троллейбусов, электровозов, электромобилей.The invention relates to the field of power converting equipment and can be used as a traction drive for trams, trolleybuses, electric locomotives, electric vehicles.

В качестве тягового электропривода в настоящее время все чаще используется электропривод переменного тока с синхронными электродвигателями или асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Синхронные электродвигатели, по сравнению с асинхронными электродвигателями, имеют несколько меньшие габариты и более высокий коэффициент мощности, однако при их использовании требуется источник для электропитания ротора. Асинхронные электродвигатели, хотя и уступают синхронным электродвигателям по упомянутым критериям, более надежны в эксплуатации и не нуждаются в источнике электроэнергии для возбуждения ротора. Для регулирования скорости вращения тяговых электродвигателей трехфазного переменного тока используются инверторы тока или напряжения, обеспечивающие преобразование постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением.As a traction electric drive, an AC electric drive with synchronous motors or asynchronous motors with a squirrel-cage rotor is increasingly being used. Synchronous electric motors, in comparison with asynchronous electric motors, have slightly smaller dimensions and a higher power factor, however, when using them, a source for power supply of the rotor is required. Asynchronous electric motors, although inferior to synchronous electric motors by the mentioned criteria, are more reliable in operation and do not need a source of electricity to excite the rotor. To control the rotation speed of three-phase alternating current traction motors, current or voltage inverters are used to convert direct current to three-phase alternating current with adjustable frequency and voltage.

Известно устройство управления асинхронным электродвигателем по патенту RU 2193814 C1 (Н02Р 21/00, 2002), которое может быть использовано в электроприводах с векторным управлением в качестве тяговых электроприводов на электропоездах. Известное устройство содержит инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный с регулированием частоты при регулируемом напряжении посредством схемы формирования сигналов управления инвертора с широтно-импульсной модуляцией, и преобразователь полярных координат для регулирования выходного напряжения, которое осуществляется по команде на изменение намагничивающей составляющей тока в первичной обмотке тока асинхронного двигателя, на который подается напряжение от инвертора, и по команде на изменение компоненты напряжения, которые формируются схемой формирования команд на изменение напряжения в соответствии с упомянутыми соответствующими компонентами и выполняются в соответствии с командой на изменение моментообразующей тока статора. Также устройство содержит преобразователь координат для измерения моментообразующей составляющей тока статора в соответствии с током в первичной обмотке асинхронного двигателя, регулятор тока для коррекции отклонения величины измеренной моментообразующей составляющей тока статора от величины соответствующего сигнала команды и формирования скорректированного сигнала команды на изменение моментообразующей составляющей тока статора, схему формирования команд на изменение угловой частоты скольжения для коррекции выходной частоты инвертора в соответствии со скорректированной величиной сигнала команды на изменение моментообразующей составляющей тока статора, схему формирования команд на изменение глубины модуляции для ограничения величины глубины модуляции предварительно заданной большей величиной ограничения или произвольной величиной. При этом в течение времени, когда величина глубины модуляции ограничена больше, чем предварительно заданная величина ограничения, генератор команд на изменение тока генерирует команду на изменение намагничивающей составляющей тока, соответствующую предварительно заданной величине, и команду на изменение моментообразующей составляющей тока статора. Известное устройство позволяет осуществлять надежное векторное управление асинхронным электродвигателем без каких-либо изменений системы управления при переходе от низких скоростей к высоким скоростям, когда величина сигнала команды на изменение напряжения (глубина модуляции) превышает максимально возможное выходное напряжение инвертора, определяемое напряжением источника постоянного тока.A control device for an induction motor according to patent RU 2193814 C1 (Н02Р 21/00, 2002) is known, which can be used in electric drives with vector control as traction electric drives on electric trains. The known device comprises an inverter that converts direct current into alternating current with frequency regulation at a controlled voltage by means of a pulse-width modulated inverter control signal generation circuit, and a polar coordinate converter for controlling the output voltage, which is carried out by a command to change the magnetizing component of the current in the primary current winding an asynchronous motor, to which voltage is supplied from the inverter, and upon a command to change the voltage component, the cat rye formed on the circuit forming the voltage change command in accordance with said respective components, and are executed in accordance with a command to change the torque-generating stator current. The device also contains a coordinate converter for measuring the moment-forming component of the stator current in accordance with the current in the primary winding of the induction motor, a current controller for correcting the deviation of the measured moment-forming component of the stator current from the value of the corresponding command signal and generating the corrected signal of the command to change the moment-forming component of the stator current, a circuit generating commands for changing the angular frequency of the slip to correct the output frequency inverter in accordance with the adjusted signal value of the command to change the moment-forming component of the stator current, a circuit for generating commands to change the modulation depth to limit the magnitude of the modulation depth to a predetermined larger limit value or an arbitrary value. At the same time, during a time when the modulation depth value is limited more than the predefined limit value, the current change command generator generates a command to change the magnetizing current component corresponding to the preset value and a command to change the moment-forming component of the stator current. The known device allows reliable vector control of an induction motor without any changes in the control system when switching from low speeds to high speeds, when the magnitude of the command signal to change the voltage (modulation depth) exceeds the maximum possible output voltage of the inverter, determined by the voltage of the DC source.

Известен тяговый электропривод, охарактеризованный в патентном описании RU 2209144 C1 (B60L 9/22, Н02Р 7/42, 2003). Известный тяговый электропривод содержит тяговый асинхронный электродвигатель, подключенный к преобразователю, который через входной фильтр, содержащий реактор и конденсатор, подключен к источнику питания - контактной сети постоянного тока. Электродвигатель снабжен датчиком частоты вращения. Управление преобразователем осуществляется устройством, на входы которого поступают сигналы заданной величины вращающего момента, фактической скорости вращения двигателя от датчика скорости и напряжения на реакторе входного фильтра от датчика напряжения. Управление тяговым асинхронным электродвигателем осуществляют путем изменения величины и частоты питающего напряжения. Задают требуемое значение вращающего момента тягового электродвигателя и в зависимости от величины сигнала с датчика частоты вращения электродвигателя формируют импульсы управления преобразователем с частотой и в последовательности, обеспечивающие необходимое изменение величины и частоты питающего электродвигатель напряжения для получения требуемого момента электродвигателя. При этом преобразователь преобразует постоянное напряжение на конденсаторе входного фильтра, поступающее от контактной сети через реактор, в переменное, регулируемое по величине и частоте в соответствии с сигналами устройства управления. Измеряют падение напряжения на реакторе входного фильтра, выделяют переменную составляющую измеренного напряжения, сравнивают ее с заданной величиной, определяя величину и знак рассогласования, и при отрицательном рассогласовании увеличивают частоту питающего электродвигатель напряжения так же пропорционально величине рассогласования, а при положительном - уменьшают частоту питающего электродвигатель напряжения так же пропорционально величине рассогласования. Известное устройство позволяет снизить уровень помех, генерируемых тяговым электроприводом в контактную сеть, и повысить его энергетические показатели.Known traction electric drive, described in the patent description RU 2209144 C1 (B60L 9/22, H02P 7/42, 2003). The known traction electric drive contains a traction induction motor connected to a converter, which is connected to a power source, a direct current contact network, through an input filter containing a reactor and a capacitor. The electric motor is equipped with a speed sensor. The converter is controlled by a device, the inputs of which receive signals of a given value of torque, the actual engine speed from the speed sensor and the voltage at the input filter reactor from the voltage sensor. The traction induction motor is controlled by changing the magnitude and frequency of the supply voltage. The required value of the torque of the traction motor is set, and depending on the signal from the engine speed sensor, the control pulses of the converter are generated with a frequency and in a sequence that provide the necessary change in the magnitude and frequency of the voltage supplying the electric motor to obtain the required motor torque. In this case, the converter converts the constant voltage across the input filter capacitor, coming from the contact network through the reactor, into an alternating voltage controlled by the magnitude and frequency in accordance with the signals of the control device. The voltage drop across the input filter reactor is measured, the alternating component of the measured voltage is isolated, it is compared with a predetermined value, determining the magnitude and sign of the mismatch, and with a negative mismatch, the frequency of the voltage supplying the electric motor is increased in the same proportion to the value of the mismatch, and if positive, the frequency of the voltage supplying the electric motor is reduced. also proportional to the amount of mismatch. The known device allows to reduce the level of interference generated by the traction electric drive to the contact network, and to increase its energy performance.

Известен тяговый электропривод по патенту RU 2299512 C2 (Н02М 7/757, 2007). Известный электропривод содержит асинхронные тяговые электродвигатели, снабженные системой питания с источниками тока. Система питания состоит из входного однозвенного фильтра, состоящего из реактора, подключенного к контактной сети через быстродействующий выключатель и первый пневматический контактор и установленный параллельно ему резистор, и двух последовательно соединенных первого и второго конденсаторов, параллельно каждому из которых подключены соответственно первый и второй тиристорные ограничители напряжения, последовательно каждому из которых подключены первый и второй тормозные резисторы соответственно. Положительная обкладка первого конденсатора соединена со входом первого тиристорного прерывателя, а отрицательная обкладка второго конденсатора - с выходом первого тиристорного прерывателя. Выход первого тиристорного прерывателя и вход второго тиристорного прерывателя подключены через соответствующие обратные диоды к средней точке конденсаторной батареи из первого и второго конденсаторов. К выходу первого тиристорного прерывателя через первый сглаживающий реактор подключен вход первого автономного инвертора тока, последовательно с которым через второй пневматический контактор включен второй автономный инвертор тока, а параллельно второму пневматическому контактору установлена цепь: первый резистор - первый тиристор - второй тиристор - второй резистор, выход которого через второй сглаживающий реактор соединен со входом второго тиристорного прерывателя. Выход первого автономного инвертора соединен с положительной обкладкой первого конденсатора посредством диода, а вход второго автономного инвертора тока через другой диод соединен с отрицательной обкладкой второго конденсатора.Known traction electric drive according to patent RU 2299512 C2 (H02M 7/757, 2007). Known electric drive contains asynchronous traction electric motors equipped with a power system with current sources. The power system consists of an input single-stage filter, consisting of a reactor connected to the contact network via a high-speed switch and a first pneumatic contactor and a resistor installed in parallel with it, and two series-connected first and second capacitors, each of which is connected to the first and second thyristor voltage limiters, respectively , in series to each of which the first and second braking resistors are connected, respectively. The positive lining of the first capacitor is connected to the input of the first thyristor chopper, and the negative lining of the second capacitor is connected to the output of the first thyristor chopper. The output of the first thyristor chopper and the input of the second thyristor chopper are connected through the corresponding reverse diodes to the midpoint of the capacitor bank from the first and second capacitors. The input of the first autonomous current inverter is connected to the output of the first thyristor chopper through the first smoothing reactor, in series with which the second autonomous current inverter is connected through the second pneumatic contactor, and the circuit is installed parallel to the second pneumatic contactor: first resistor - first thyristor - second thyristor - second resistor, output which through the second smoothing reactor is connected to the input of the second thyristor chopper. The output of the first autonomous inverter is connected to the positive lining of the first capacitor through a diode, and the input of the second autonomous current inverter through another diode is connected to the negative lining of the second capacitor.

Относительно тяговых частотных электроприводов можно отметить, что характерным для известных устройств является наличие преобразователя частоты, подключенного к электродвигателю. При этом процесс преобразования питающего постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением осуществляется без использования в процессе преобразования самого электродвигателя. Во всех рассмотренных устройствах используется асинхронный электродвигатель, который питается от источника постоянного тока через преобразователь частоты. При этом обеспечение необходимых режимов работы тягового электропривода, как правило, предполагает использование ряда дополнительных устройств, например устройства пуска, устройства рекуперации энергии в сеть постоянного тока, фильтров, что усложняет электропривод. К недостаткам известных тяговых электроприводов можно отнести большие массогабаритные показатели, низкий коэффициент полезного действия и высокую стоимость.Regarding traction frequency electric drives, it can be noted that a characteristic of known devices is the presence of a frequency converter connected to an electric motor. In this case, the process of converting the supply DC to three-phase alternating current with adjustable frequency and voltage is carried out without using the motor itself in the conversion process. All considered devices use an asynchronous electric motor, which is powered by a direct current source through a frequency converter. At the same time, ensuring the necessary operating modes of the traction electric drive, as a rule, involves the use of a number of additional devices, for example, a starting device, a device for recovering energy into a direct current network, filters, which complicates the electric drive. The disadvantages of the known traction electric drives include large weight and size indicators, low efficiency and high cost.

Также известен регулируемый электропривод с повышенными характеристиками по патенту RU 2488216 C1 (Н02Р 25/22, Н02Р 27/06, 2013). Известный электропривод содержит питающую сеть постоянного тока и нестандартный трехфазный шестиобмоточный асинхронный электродвигатель. Электропривод имеет три пары одинаковых статорных обмоток, шесть полупроводниковых ключей (транзисторов), которые соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками нестандартного трехфазного шестиобмоточного асинхронного электродвигателя таким образом, чтобы коллекторы нечетных транзисторов были подключены к входам статорных обмоток, а коллекторы четных - к выходам. Эмиттеры транзисторов объединены в общую точку и подключены к минусу питающей сети постоянного тока. При этом выходы нечетных и входы четных обмоток нестандартного шестиобмоточного асинхронного электродвигателя подключены к плюсу питающей сети постоянного тока. Управление транзисторами осуществляется таким образом, чтобы обеспечить подачу на соответствующие стандартные обмотки соответствующего однополупериодного синусоидального напряжения.Also known is an adjustable electric drive with enhanced characteristics according to patent RU 2488216 C1 (Н02Р 25/22, Н02Р 27/06, 2013). The known electric drive contains a DC power network and a non-standard three-phase six-winding asynchronous electric motor. The electric drive has three pairs of identical stator windings, six semiconductor switches (transistors), which are connected to the DC supply network and are designed to connect to the stator windings of a non-standard three-phase six-winding asynchronous electric motor so that the collectors of odd transistors are connected to the inputs of the stator windings, and the collectors even - to the exits. Transistor emitters are combined into a common point and are connected to the negative of the DC supply network. In this case, the outputs of the odd and the inputs of the even windings of a non-standard six-winding asynchronous electric motor are connected to the plus of the DC supply network. The transistors are controlled in such a way as to ensure that the corresponding standard half-wave sinusoidal voltage is supplied to the corresponding standard windings.

В известном электроприводе процесс преобразования питающего постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением осуществляется с использованием в процессе преобразования самого электродвигателя. Однако известный электропривод имеет сложную схему управления, что обусловлено использованием для полупроводниковых ключей режима широтно-импульсной модуляции. Кроме того, в известном устройстве не обеспечивается устойчивая работа электропривода на низких частотах из-за невозможности получения на обмотках статора напряжения с приемлемым гармоническим составом.In the known electric drive, the process of converting the supply DC to three-phase alternating current with adjustable frequency and voltage is carried out using the motor itself in the conversion process. However, the known electric drive has a complex control circuit due to the use of pulse width modulation mode for semiconductor switches. In addition, the known device does not provide stable operation of the electric drive at low frequencies due to the impossibility of obtaining voltage on the stator windings with an acceptable harmonic composition.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является устройство, приведенное в описании изобретения по патенту RU 2239274 C1 (Н02М 5/297, 2004). Известное устройство содержит преобразователь частоты, который подключен к трехфазной нагрузке. В качестве последней может быть, например, электродвигатель. Преобразователь частоты подключен к трехфазной питающей сети и содержит трансформаторное звено с трехфазными входными и выходными обмотками и коммутирующие элементы, выполненные в виде трехфазных диодных мостов с электронными ключами в цепи постоянного тока. Для получения в первичных обмотках трансформатора трехфазного напряжения повышенной частоты входные цепи преобразователя выполнены аналогично выходным цепям, а именно с применением трех одинаково выполненных трехфазных групп первичных обмоток и трех коммутирующих элементов, каждый в виде трехфазного диодного моста с зажимами переменного тока, подключенными к одноименным выводам первичных обмоток одной из трехфазных групп, а зажимами постоянного тока - к силовым выводам включенного в проводящем направлении транзисторного ключа. При этом другие выводы каждых трех первичных обмоток фаз и групп подключены к одной из фаз питающей сети.The closest in combination of essential features with the claimed invention is the device described in the description of the invention according to patent RU 2239274 C1 (H02M 5/297, 2004). The known device contains a frequency Converter, which is connected to a three-phase load. As the latter may be, for example, an electric motor. The frequency converter is connected to a three-phase supply network and contains a transformer unit with three-phase input and output windings and switching elements made in the form of three-phase diode bridges with electronic switches in a DC circuit. To obtain a three-phase voltage increased frequency in the primary windings of the transformer, the input converter circuits are made similar to the output circuits, namely, using the same three-phase three-phase groups of primary windings and three switching elements, each in the form of a three-phase diode bridge with AC clamps connected to the primary terminals of the same name windings of one of the three-phase groups, and with DC clamps - to the power terminals of the transistor switch included in the conductive direction. In this case, the other conclusions of each three primary windings of phases and groups are connected to one of the phases of the supply network.

К недостаткам известного решения можно отнести необходимость реализации процессов модуляции и демодуляции при преобразовании переменного тока одной частоты на входе преобразователя частоты в трехфазный переменный ток другой частоты на выходе преобразователя частоты. Кроме того, выходное напряжение содержит весь спектр высших гармонических составляющих. Отмеченные недостатки делают процесс модулирования (преобразования) не эффективным, ограничивают функциональные возможности. Вместе с этим известное техническое решение предполагает использование питающей сети переменного тока и не может быть использовано для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток с необходимыми частотой и напряжением. Также можно отметить, что в известном техническом решении процесс преобразования питающего трехфазного переменного тока одной частоты в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением осуществляется без использования в процессе преобразования самого электродвигателя. Отмеченные недостатки ограничивают функциональные возможности и область использования известного устройства.The disadvantages of the known solutions include the need for modulation and demodulation processes when converting alternating current of one frequency at the input of the frequency converter to three-phase alternating current of another frequency at the output of the frequency converter. In addition, the output voltage contains the entire spectrum of higher harmonic components. The noted shortcomings make the modulation (conversion) process inefficient, and limit the functionality. Along with this, the known technical solution involves the use of an alternating current supply network and cannot be used to convert direct current to three-phase alternating current with the necessary frequency and voltage. It can also be noted that in a known technical solution, the process of converting a supplying three-phase alternating current of one frequency into a three-phase alternating current with adjustable frequency and voltage is carried out without using the motor itself in the conversion process. The noted disadvantages limit the functionality and scope of the known device.

Задачей настоящего изобретения является создание тягового частотного электропривода, в котором обмотки статора электродвигателя используются в процессе преобразования (модулирования), что обеспечивает повышение эффективности процесса преобразования, расширение функциональных возможностей и области использования тягового электропривода.The present invention is the creation of a traction frequency electric drive, in which the stator windings of the electric motor are used in the conversion process (modulation), which improves the efficiency of the conversion process, enhances the functionality and scope of use of the traction electric drive.

Указанная задача решается тем, что предложен тяговый электропривод, содержащий входные зажимы A, B, C для подключения питающей сети постоянного тока, коммутирующие элементы и асинхронный электродвигатель, включающий ротор, окруженный статором, содержащим трехфазные обмотки, которые выполнены с возможностью обеспечения совместно с соответствующими им коммутирующими элементами модулирования параметров электроэнергии постоянного тока питающей сети. Одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим входным зажимам A, B, C, а другие выводы - к соответствующим трехфазным обмоткам коммутирующим элементам. Один из входных зажимов подключен к плюсовому выводу питающей сети, а два других - к минусовому выводу последней.This problem is solved by the fact that a traction electric drive is proposed that contains input terminals A, B, C for connecting a direct current supply network, switching elements and an asynchronous electric motor, including a rotor surrounded by a stator containing three-phase windings, which are made together with the corresponding ones switching elements modulating the parameters of direct current electric power of the supply network. Some terminals of the phase windings of the three-phase stator windings are connected to the corresponding input terminals A, B, C, and other conclusions are connected to the corresponding three-phase windings of the switching elements. One of the input terminals is connected to the positive terminal of the supply network, and the other two to the negative terminal of the latter.

Вместе с этим статор имеет три одинаково выполненных части, которые расположены последовательно вдоль ротора. Каждая из частей включает две трехфазные обмотки. При этом в каждой из частей статора начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки и концы фазных обмоток другой трехфазной обмотки подключены к соответствующим входным зажимам A, B и C, а другие выводы каждой из трехфазных обмоток подключены к соответствующему этой трехфазной обмотке коммутирующему элементу. Фазные обмотки трехфазных обмоток одной части статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам A, B, C, а фазные обмотки трехфазных обмоток других частей статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам B, C, А и C, А, В.Along with this, the stator has three equally executed parts, which are located sequentially along the rotor. Each part includes two three-phase windings. Moreover, in each part of the stator, the initial terminals of the phase windings of one three-phase winding and the ends of the phase windings of the other three-phase windings are connected to the corresponding input terminals A, B and C, and the other terminals of each of the three-phase windings are connected to the switching element corresponding to this three-phase winding. The phase windings of the three-phase windings of one part of the stator are connected in series to the input terminals A, B, C, respectively, and the phase windings of the three-phase windings of the other parts of the stator are connected in series to the input terminals B, C, A and C, A, B.

Кроме того, коммутирующий элемент выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока.In addition, the switching element is made in the form of a three-phase diode bridge with an electronic switch in the DC circuit.

В варианте выполнения тяговый электропривод в качестве электронного ключа содержит транзистор.In an embodiment, the traction electric drive comprises a transistor as an electronic key.

В другом варианте выполнения тяговый электропривод в качестве электронного ключа содержит тиристор.In another embodiment, the traction electric drive contains a thyristor as an electronic key.

Вместе с этим в варианте выполнения тяговый электропривод в качестве электродвигателя содержит асинхронный электродвигатель.At the same time, in an embodiment, the traction electric drive comprises an asynchronous electric motor as an electric motor.

В последнем варианте выполнения ротор электродвигателя выполнен короткозамкнутымIn the last embodiment, the rotor of the electric motor is made squirrel-cage

Возможен вариант выполнения, когда тяговый электропривод в качестве электродвигателя содержит синхронный электродвигатель.An embodiment is possible when the traction electric drive comprises a synchronous electric motor as an electric motor.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает возможность повышение эффективности процесса преобразования (модулирования) постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением, расширение функциональных возможностей и области использования электропривода. Вместе с этим изобретение обеспечивает возможность уменьшения массогабаритных показателей тягового электропривода и снижение стоимости.The technical result of the use of the invention is that it provides an opportunity to increase the efficiency of the process of converting (modulating) direct current into three-phase alternating current with adjustable frequency and voltage, expanding the functionality and scope of use of the electric drive. Along with this, the invention provides the possibility of reducing the overall dimensions of the traction electric drive and reducing the cost.

На фиг. 1 представлена общая схема заявляемого тягового электропривода (на схеме номера позиций для частей статора электродвигателя условно показаны дважды); на фиг. 2 - схема подключения обмоток статора электродвигателя к входным зажимам и коммутирующим элементам; на фиг. 3 - диаграммы формирования напряжения на статорных обмотках статора электродвигателя; на фиг. 4 - диаграммы формирования напряжения на обмотках статора электродвигателя при регулировании напряжения. На диаграммах: UA1 - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 7, 8 части 4 статора электродвигателя; UB1 - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 9, 10 части 5 статора электродвигателя; UC1 - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 11, 12 части 6 статора; UA - суммарное фазное напряжение, формируемое в фазе А статора; ω - круговая частота; t - время; 22-27 - интервалы включения соответствующих электронных ключей.In FIG. 1 presents a General diagram of the inventive traction electric drive (in the diagram, the position numbers for parts of the stator of the electric motor are conventionally shown twice); in FIG. 2 is a diagram of a connection of stator windings of an electric motor to input terminals and switching elements; in FIG. 3 - diagrams of the formation of voltage on the stator windings of the stator of the electric motor; in FIG. 4 - diagrams of voltage formation on the stator windings of an electric motor when regulating voltage. In the diagrams: U A1 is the voltage generated on the phase windings of three-phase windings 7, 8 of part 4 of the stator of the electric motor; U B1 is the voltage generated on the phase windings of three-phase windings 9, 10 of part 5 of the stator of the electric motor; U C1 is the voltage generated on the phase windings of the three-phase windings 11, 12 of the stator part 6; U A is the total phase voltage generated in phase A of the stator; ω is the circular frequency; t is the time; 22-27 - intervals of inclusion of the corresponding electronic keys.

В варианте осуществления изобретения тяговый электропривод в качестве электродвигателя содержит, например, асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.In an embodiment of the invention, the traction drive as an electric motor comprises, for example, an asynchronous squirrel-cage electric motor.

Устройство содержит входные зажимы 21 (A, B, C) для подключения питающей сети 20 постоянного тока, асинхронный электродвигатель 1, включающий статор 2 и короткозамкнутый ротор 3. Статор 2 имеет три одинаково выполненных части 4-6, которые расположены последовательно вдоль окруженного статором ротора 3. Каждая из частей статора 2 содержит две трехфазные обмотки. При этом одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим входным зажимам A, B, C, а другие выводы - к соответствующим трехфазным обмоткам коммутирующим элементам 13-18. На части 4 статора расположены трехфазные обмотки 7 и 8. На части 5 статора расположены трехфазные обмотки 9 и 10. На части 6 статора расположены трехфазные обмотки 11 и 12. Трехфазные обмотки 7-12 включают фазные обмотки. Начальные выводы фазных обмоток трехфазных обмоток 7, 9, 11, а также концы фазных обмоток трехфазных обмоток 8, 10, 12 подключены к соответствующим входным зажимам A, В и С. Другие выводы фазных обмоток трехфазных обмоток 7-12 подключены к переменным входам соответствующих коммутирующих элементов 13-18, каждый из которых выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом (22-27) в цепи постоянного тока. Коммутирующие элементы подключены к блоку 19 управления.The device contains input terminals 21 (A, B, C) for connecting a direct current supply network 20, an asynchronous electric motor 1, including a stator 2 and a squirrel-cage rotor 3. Stator 2 has three identical parts 4-6, which are arranged in series along the rotor surrounded by a stator 3. Each of the parts of the stator 2 contains two three-phase windings. In this case, some conclusions of the phase windings of the three-phase stator windings are connected to the corresponding input terminals A, B, C, and other conclusions are connected to the corresponding three-phase windings of the switching elements 13-18. Three-phase windings 7 and 8 are located on stator part 4. Three-phase windings 9 and 10 are located on stator part 5. Three-phase windings 11 and 12 are located on stator part 6. Three-phase windings 7-12 include phase windings. The initial terminals of the phase windings of the three-phase windings 7, 9, 11, as well as the ends of the phase windings of the three-phase windings 8, 10, 12 are connected to the corresponding input terminals A, B and C. Other terminals of the phase windings of the three-phase windings 7-12 are connected to the variable inputs of the corresponding switching elements 13-18, each of which is made in the form of a three-phase diode bridge with an electronic key (22-27) in a DC circuit. The switching elements are connected to the control unit 19.

В другом варианте выполнения (на чертеже не показано) тяговый электропривод в качестве электродвигателя содержит синхронный электродвигатель. В этом варианте, по сравнению с вариантом с асинхронным электродвигателем, электропривод имеет несколько меньшие габариты и более высокий коэффициент мощности, однако при использовании синхронного электродвигателя требуется источник для электропитания ротора.In another embodiment (not shown in the drawing), the traction drive as a motor comprises a synchronous motor. In this embodiment, in comparison with the version with an induction motor, the electric drive has slightly smaller dimensions and a higher power factor, however, when using a synchronous electric motor, a source for powering the rotor is required.

Тяговый электропривод работает следующим образом.Traction electric drive operates as follows.

Преобразование постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением в тяговом электроприводе основано на принципе трехполосной модуляции, в котором модулирующая функция формирования выходной частоты и выходного напряжения в каждой фазе статора реализуется путем циклических подключений трехфазных обмоток 7-12 к питающей сети 20 постоянного тока через равные интервалы времени одновременно по трем фазам по круговой диаграмме, а их отключение осуществляется в пределах прямой и обратной полуволн фаз формируемого напряжения.The conversion of direct current to three-phase alternating current with adjustable frequency and voltage in the traction drive is based on the principle of three-band modulation, in which the modulating function of generating the output frequency and output voltage in each phase of the stator is realized by cyclic connections of three-phase windings 7-12 to the DC power network 20 at equal time intervals simultaneously in three phases in a pie chart, and their shutdown is carried out within the direct and reverse half-waves of phases direct voltage.

На фазах обмоток статора электродвигателя формируется переменное трехфазное напряжение с частотой, равной частоте следования управляющих импульсов, поступающих от блока 19 управления на электронные ключи 22-27.On the phases of the stator windings of the electric motor, an alternating three-phase voltage is formed with a frequency equal to the repetition rate of the control pulses from the control unit 19 to electronic keys 22-27.

Амплитуда напряжения в фазах статора электродвигателя является суммой напряжений, формируемых на фазных обмотках частей статора электродвигателя.The voltage amplitude in the phases of the stator of the electric motor is the sum of the voltages generated on the phase windings of the parts of the stator of the electric motor.

Плавное регулирование амплитуды напряжений на статоре электродвигателя осуществляется за счет изменения продолжительности включенного состояния электронных ключей 22-27 (транзисторов или тиристоров).Stepless regulation of the amplitude of the voltage at the stator of the electric motor is carried out by changing the duration of the on state of electronic switches 22-27 (transistors or thyristors).

На фиг. 3 показана диаграмма формирования напряжения в фазе A (UA) статора электродвигателя при включенном состоянии ключей 22-27 в течение 1/2 периода формируемого трехфазного напряжения. На фиг. 4 - то же при включенном состоянии ключей 22-27 в течение 1/6 периода формируемого трехфазного напряжения.In FIG. 3 shows a voltage generation diagram in phase A (U A ) of the electric motor stator when the state of the keys 22-27 is turned on for 1/2 a period of generated three-phase voltage. In FIG. 4 - the same when the state of the keys 22-27 is turned on for 1/6 of the period of the generated three-phase voltage.

Из диаграмм фиг. 3, 4 видно, что форма выходного напряжения при его регулировании остается неизменной.From the diagrams of FIG. 3, 4 it is seen that the shape of the output voltage during its regulation remains unchanged.

Простота управления, широкий и плавный диапазон регулирования частоты и напряжения в фазах электродвигателя (с сохранением гармонического состава напряжения при регулировании), возможность обмена энергией между нагрузкой и питающей сетью (за счет двухсторонней проводимости коммутирующих элементов), исключение фильтров обеспечивают тяговому электроприводу высокий коэффициент полезного действия, меньшие массогабаритные показатели и невысокую стоимость.Ease of control, a wide and smooth range of frequency and voltage regulation in the phases of the electric motor (while maintaining the harmonic composition of the voltage during regulation), the ability to exchange energy between the load and the supply network (due to the two-sided conductivity of the switching elements), the exclusion of filters provides the traction electric drive with a high efficiency , smaller overall dimensions and low cost.

Таким образом, благодаря особенности исполнения тягового электропривода изобретение обеспечивает возможность повышения эффективности процесса преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением, расширение функциональных возможностей и области использования тягового электропривода. Вместе с этим изобретение обеспечивает возможность уменьшения массогабаритных показателей и снижение стоимости электропривода.Thus, due to the design features of the traction electric drive, the invention provides the possibility of increasing the efficiency of the process of converting direct current into three-phase alternating current with adjustable frequency and voltage, expanding the functionality and scope of use of the traction electric drive. Along with this, the invention provides the possibility of reducing overall dimensions and reducing the cost of the electric drive.

Claims (8)

1. Тяговый электропривод, содержащий входные зажимы А, В, С для подключения питающей сети постоянного тока, коммутирующие элементы и электродвигатель, включающий ротор, окруженный статором, содержащим трехфазные обмотки, которые выполнены с возможностью обеспечения совместно с соответствующими им коммутирующими элементами модулирования параметров электроэнергии постоянного тока питающей сети, при этом одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим входным зажимам А, В, С, а другие выводы - к соответствующим трехфазным обмоткам коммутирующим элементам, причем один из входных зажимов подключен к плюсовому выводу питающей сети, а два других - к минусовому выводу последней.1. Traction electric drive containing input terminals A, B, C for connecting a DC supply network, switching elements and an electric motor, including a rotor surrounded by a stator containing three-phase windings, which are configured to provide, together with their respective switching elements, modulating parameters of constant electric power current of the supply network, while some of the terminals of the phase windings of the three-phase stator windings are connected to the corresponding input terminals A, B, C, and other conclusions to the corresponding Leica Geosystems three-phase windings of the switching elements, and one of input terminals connected to the positive output supply, and the other two - to the negative terminal of the latter. 2. Тяговый электропривод по п. 1, отличающийся тем, что статор имеет три одинаково выполненных части, которые расположены последовательно вдоль ротора, причем каждая из частей включает две трехфазные обмотки, при этом в каждой из частей статора начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки и концы фазных обмоток другой трехфазной обмотки подключены к соответствующим входным зажимам А, В и С, а другие выводы каждой из трехфазных обмоток подключены к соответствующему этой трехфазной обмотке коммутирующему элементу, причем фазные обмотки трехфазных обмоток одной части статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам А, В, С, а фазные обмотки трехфазных обмоток других частей статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам В, С, А и С, А, В.2. A traction electric drive according to claim 1, characterized in that the stator has three equally made parts that are arranged sequentially along the rotor, each of which includes two three-phase windings, while in each of the stator parts the initial conclusions of the phase windings of one three-phase winding and the ends of the phase windings of the other three-phase windings are connected to the corresponding input terminals A, B and C, and the other terminals of each of the three-phase windings are connected to the switching element corresponding to this three-phase winding, the phase the windings of the three-phase windings of one part of the stator are connected in series to the input terminals A, B, C, respectively, and the phase windings of the three-phase windings of the other parts of the stator are connected in series to the input terminals B, C, A and C, A, B. 3. Тяговый электропривод по п. 1, отличающийся тем, что коммутирующий элемент выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока.3. Traction electric drive according to claim 1, characterized in that the switching element is made in the form of a three-phase diode bridge with an electronic key in a DC circuit. 4. Тяговый электропривод по п. 3, отличающийся тем, что в качестве электронного ключа содержит транзистор.4. Traction electric drive according to claim 3, characterized in that it contains a transistor as an electronic key. 5. Тяговый электропривод по п. 3, отличающийся тем, что в качестве электронного ключа содержит тиристор.5. Traction electric drive according to claim 3, characterized in that it contains a thyristor as an electronic key. 6. Тяговый электропривод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электродвигателя содержит асинхронный электродвигатель.6. Traction electric drive according to claim 1, characterized in that the electric motor comprises an asynchronous electric motor. 7. Тяговый электропривод по п. 6, отличающийся тем, что ротор электродвигателя выполнен короткозамкнутым.7. Traction electric drive according to claim 6, characterized in that the rotor of the electric motor is made short-circuited. 8. Тяговый электропривод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электродвигателя содержит синхронный электродвигатель.8. Traction electric drive according to claim 1, characterized in that the electric motor comprises a synchronous electric motor.
RU2015157059A 2015-12-29 2015-12-29 Traction electric drive RU2619925C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015157059A RU2619925C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Traction electric drive

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015157059A RU2619925C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Traction electric drive

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2619925C1 true RU2619925C1 (en) 2017-05-22

Family

ID=58881150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015157059A RU2619925C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Traction electric drive

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2619925C1 (en)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06187202A (en) * 1992-03-09 1994-07-08 Internatl Business Mach Corp <Ibm> User interface for definition of structure of relational database and method for generation of said user interface ondisplay of computer system
US5587891A (en) * 1992-06-04 1996-12-24 Hitachi, Ltd. Electric power converting apparatus
WO1999029019A1 (en) * 1997-11-28 1999-06-10 Abb Ab Traction motor and drive system
RU10957U1 (en) * 1998-11-02 1999-08-16 Закрытое акционерное общество "Автоматизированные системы и комплексы" TRACTION ELECTRIC DRIVE
RU2167071C1 (en) * 2000-09-21 2001-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии" Electric energy converter
RU2239274C1 (en) * 2003-05-27 2004-10-27 Ульяновский государственный технический университет Three-phase to-three-phase converter provided with increased frequency transformer member
EP1814766A1 (en) * 2004-11-02 2007-08-08 AZD Praha S.R.O. The safe three-phase contact-free switch
DE102009028081A1 (en) * 2008-09-23 2010-04-08 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Electrical system for pulse width modulated drive of an inverter using phase shifted carrier signals and related operating methods
RU2488216C1 (en) * 2012-01-27 2013-07-20 Денис Анатольевич Строганов Controlled electric drive with advanced reliability performance

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06187202A (en) * 1992-03-09 1994-07-08 Internatl Business Mach Corp <Ibm> User interface for definition of structure of relational database and method for generation of said user interface ondisplay of computer system
US5587891A (en) * 1992-06-04 1996-12-24 Hitachi, Ltd. Electric power converting apparatus
WO1999029019A1 (en) * 1997-11-28 1999-06-10 Abb Ab Traction motor and drive system
RU10957U1 (en) * 1998-11-02 1999-08-16 Закрытое акционерное общество "Автоматизированные системы и комплексы" TRACTION ELECTRIC DRIVE
RU2167071C1 (en) * 2000-09-21 2001-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии" Electric energy converter
RU2239274C1 (en) * 2003-05-27 2004-10-27 Ульяновский государственный технический университет Three-phase to-three-phase converter provided with increased frequency transformer member
EP1814766A1 (en) * 2004-11-02 2007-08-08 AZD Praha S.R.O. The safe three-phase contact-free switch
DE102009028081A1 (en) * 2008-09-23 2010-04-08 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Electrical system for pulse width modulated drive of an inverter using phase shifted carrier signals and related operating methods
RU2488216C1 (en) * 2012-01-27 2013-07-20 Денис Анатольевич Строганов Controlled electric drive with advanced reliability performance

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tolbert et al. Multilevel converters for large electric drives
US10434882B2 (en) Track-bound vehicle converter
JP5528327B2 (en) Apparatus and method for controlling power shunt, and hybrid vehicle having the same circuit
EP2779403B1 (en) Power conversion system and method
JP2019520018A (en) Multiple power topology from a single power generator
Chiasson et al. A five-level three-phase hybrid cascade multilevel inverter using a single DC source for a PM synchronous motor drive
Saito et al. A single to three phase matrix converter with a power decoupling capability
JPH07322634A (en) Control method of inverter and inverter device
RU2619925C1 (en) Traction electric drive
Milan et al. A novel SPWM strategy for single-to three-phase matrix converter
RU2457612C1 (en) Device for regulation and stabilisation of standalone multifunctional asynchronous generator voltage
JP2002078349A (en) Inverter device
JP3675124B2 (en) Control device for pulse width modulation control converter
Biabani et al. Performance analysis of step up and step down cyclo converter
KR102269005B1 (en) Generator system
RU2581629C1 (en) Frequency electric drive
Reddy et al. Asymmetrical 7-level neutral point clamped converter for switch reluctance motors
Awaar et al. Design and Development of a Three Phase Induction Motor Drive using NI-myRIO
RU2658312C1 (en) Method of building control system of three-phase bridge rectifier and three-phase voltage regulator and device for its implementation
Phiphitsunthon et al. Performance evaluation of single-phase PWM AC chopper fed three-phase induction motor
RU2285328C1 (en) Fan capacity regulator for alternating-current locomotive
RU174075U1 (en) FREQUENCY CONVERTER
Suresh et al. SIMULATION STUDY OF AUXILIARY CONVERTER FOR 6000 HP THREE PHASE ELECTRIC LOCOMOTIVES
RU2644384C1 (en) Three-level voltage inverter
JPH0527344B2 (en)