Способ изменения тяговой характеристики электроподвижного состава и устройство для его реализации

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ(73) Патентообладатель Тимохин Павел Николаевич,Логотько Кирилл Владимирович, Боровик Сергей Михайлович(57) 1. Способ изменения тяговой характеристики электроподвижного состава с тяговыми электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения, включающий последовательное соединение обмоток якорей тяговых электродвигателей в группы, последовательное соединение этих групп между собой, повышение силы тока в силовой цепи путем изменения схемы соединения групп обмоток якорей и уменьшение магнитного поля возбуждения тяговых электродвигателей, отличающийся тем, что уменьшение магнитного поля возбуждения тяговых электродвигателей осуществляют в автоматическом режиме работы электроподвижного состава путем многократного изменения схемы подключения групп обмоток якорей тяговых электродвигателей и изменения схемы подключения обмоток возбуждения тяговых электродвигателей как относительно друг друга, так и относительно групп обмоток якорей тяговых электродвигателей. 3438 1 2. Устройство изменения тяговой характеристики электроподвижного состава, содержащее электросиловую схему, включающую в себя главный генератор, реверсор, подключаемые к главному генератору с помощью реле управления тяговые электродвигатели, обмотки якорей которых последовательно соединены в первую и вторую группы, а их обмотки возбуждения объединены в соответствующие первую и вторую группы, а также первый индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения первой и второй групп тяговых электродвигателей и второй и третий индивидуальные электропневматические контакторы для параллельного соединения этих групп с главным генератором, отличающееся тем, что электросиловая схема устройства дополнительно содержит первый групповой электропневматический контактор для последовательного соединения обмоток возбуждения в обеих группах и второй и третий групповые электропневматические контакторы для параллельного соединения обмоток возбуждения в обеих группах, четвертый индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения первой группы обмоток якорей тяговых электродвигателей с первой группой их обмоток возбуждения, пятый индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения второй группы обмоток якорей с первой группой обмоток возбуждения, шестой индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения второй группы обмоток якорей со второй группой обмоток возбуждения, седьмой индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения первой и второй групп обмоток якорей между собой, восьмой индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения первой и второй групп обмоток возбуждения между собой,при этом все индивидуальные электропневматические и групповые электропневматические контакторы снабжены параллельно подключенными и работающими в автоматическом режиме управления тяговыми электродвигателями соответственно индивидуальными электропневматическими контакторами с диодами и групповыми электропневматическими контакторами с диодами.(56) 1. Жилин Г. А. и др. Пассажирский тепловоз ТЭП 60. - М. Транспорт, 1976. - С. 187-190. 2. Тихменев Б. Н., Трахтман Л. М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. - М. Транспорт, 1980. - С. 87-90. 3. Шишкин К. А. и др. Советские тепловозы. - М. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1951. - С. 175 (прототип). Изобретение относится к области локомотивостроения и может быть использовано при изготовлении нового и модернизации эксплуатируемого тягового электроподвижного состава - тепловозов, электровозов и другого тягового подвижного состава. Известен способ изменения тяговой характеристики электроподвижного состава с электродвигателями постоянного тока, последовательного возбуждения, за счет регулировки скорости тягового электроподвижного состава, заключающийся в первоначальном параллельном подключении тяговых электродвигателей относительно друг друга к источнику питания и дальнейшим изменением его тяговой характеристики в сторону увеличения скорости тягового электроподвижного состава, путем уменьшения возбуждения в каждом тяговом электродвигателе, т.е. уменьшая силу тока в обмотках возбуждения за счет двухкратного подключения параллельно обмоткам возбуждения резисторов с элементами гашения тока в них. 1. Недостатком данного способа изменения тяговой характеристики электроподвижного состава является то, что он при трогании с места имеет малую силу тяги, т.к. сила тока в каждом тяговом электродвигателе составляет одну шестую часть электроэнергии главного генератора тягового электроподвижного состава,ввиду чего он при трогании с места не имеет возможности вывоза прицепленного состава на затяжной подъем, а вернее не имеет возможности без разгона преодолевать затяжной подъем железнодорожного пути, а для увеличения силы тяги требуется генератор большей мощности. А в то же время данный способ изменения тяговой характеристики электроподвижного состава за счет изменения возбуждения в каждом электродвигателе, путем двухкратного подключения резисторов, избегая повышения мощности главного генератора тягового электроподвижного состава, имеет малый диапазон регулировки скорости и сопровождается падением мощности тягового электроподвижного состава и сопровождается уменьшением коэффициента полезного действия данного тягового электроподвижного состава и падением силы тяги. Известен способ изменения тяговой характеристики электроподвижного состава с группами последовательно соединенных непереключаемых электродвигателей постоянного тока, последовательного возбуждения, за счет регулировки скорости тягового электроподвижного состава, заключающийся в первоначальном последовательном подключении к источнику питания групп, последовательно соединенных непереключаемых относительно друг друга тяговых электродвигателей и дальнейшим изменением его тяговой характеристики в сторону увеличения скорости тягового электроподвижного состава, путем переключения групп тяговых электродвигателей с последовательного их соединения на параллельное. 2. 3438 1 Недостатком данного способа изменения тяговой характеристики электроподвижного состава является то, что данный способ имеет малый диапазон регулировки скорости тягового электроподвижного состава, а именно один, и одновременно данный способ регулировки скорости тягового электроподвижного состава сопровождается падением мощности и уменьшением коэффициента полезного действия данного тягового электроподвижного состава, в связи с чем данный способ не нашел широкого применения на практике. Наиболее близким по технологической сущности способом изменения тяговой характеристики электроподвижного состава с электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения является способ изменения скорости тягового электроподвижного состава в сторону ее увеличения, заключающийся в первоначальном последовательном подсоединении групп тяговых электродвигателей к источнику питания,дальнейшего переключения групп тяговых электродвигателей с последовательного их подсоединения на групповое последовательно-параллельное подсоединение, с повышением подводимой мощности к тяговым электродвигателям и дальнейшего ослабления возбуждения, путем уменьшения силы тока в обмотках возбуждения, за счет подключения параллельно групп обмоток возбуждения резисторов с элементами гашения тока в них 3. Недостатком данного способа является то, что он имеет малый диапазон изменения тяговой характеристики подвижного состава, а способ ослабления возбуждения тяговых электродвигателей за счет подключения параллельно обмоткам возбуждения резисторов с элементами гашения тока в них сопровождается уменьшением коэффициента полезного действия тягового электроподвижного состава, падением его силы тяги и падением мощности, и приводит к нарушению техники пожарной безопасности. Задача изобретениярасширение - увеличение диапазона изменения тяговой характеристики электроподвижного состава, избегание потери мощности тягового подвижного состава. Поставленная задача изобретения достигается тем, что в указанном способе изменения тяговой характеристики электроподвижного состава с тяговыми электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения, включающем последовательное соединение обмоток якорей тяговых электродвигателей в группы, последовательное соединение этих групп между собой, повышение силы тока в силовой цепи путем изменения схемы соединения групп обмоток якорей и уменьшением магнитного поля возбуждения тяговых электродвигателей, уменьшение магнитного поля возбуждения тяговых электродвигателей осуществляют в автоматическом режиме работы электроподвижного состава путем многократного изменения схемы подключения групп обмоток якорей тяговых электродвигателей и изменения схемы подключения обмоток возбуждения тяговых электродвигателей как относительно друг друга, так и относительно групп обмоток якорей тяговых электродвигателей. На фиг. 1 показана электросиловая схема шестиосного тепловоза с тяговыми электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения, на фиг. 2 схематически изображена электросиловая схема шестиосного тягового подвижного состава с тяговыми электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения при трогании его с места, с последовательным соединением тяговых электродвигателей в две группы,по три тяговых электродвигателя в каждой группе - первый вариант их соединения на фиг. 3 - то же, второй вариант их соединения на фиг. 4 то же, третий вариант на фиг. 5 - то же, четвертый вариант их соединения на фиг. 6 то же, пятый вариант на фиг. 7 - то же, шестой вариант их соединения на фиг. 8 - то же, седьмой вариант их соединения на фиг. 9 - то же, восьмой вариант их соединения. Предложенный способ изменения тяговой характеристики подвижного состава за счет ослабления магнитного поля возбуждения тяговых электродвигателей, а значит и способность регулировки его скорости,создает возможность не гасить часть энергии на шунтирующих обмотку возбуждения активных сопротивлениях (традиционный способ) или на тиристорах, а осуществлять шунтировку поля самими же обмотками возбуждения путем их переключения в схеме относительно групп обмоток якорей тяговых электродвигателей или относительно друг друга, т.е. подключая обмотки возбуждения параллельно друг другу, где шунтирующий ток пропускают через другую (другие) обмотки возбуждения, исключая таким образом потери при ослаблении магнитного поля. Рассматривается несколько вариантов ослабления магнитного поля шестиосного локомотива. Известно устройство изменения тяговой характеристики электроподвижного состава, содержащее электросиловую схему с главным генератором и с параллельными цепями групп тяговых электродвигателей постоянного тока, последовательного возбуждения, где каждая группа содержит электропневматический контактор, обмотку якоря и обмотку возбуждения тягового электродвигателя и параллельно каждой обмотке возбуждения - группу резисторов и электромагнитные контакторы для их подключения 1. Недостатком данного устройства изменения тяговой характеристики электроподвижного состава является то, что он имеет малую силу тяги при трогании с места, ввиду чего он не имеет возможности без разгона преодолевать затяжные подъемы, т.к. сила тока в каждой параллельной цепи тяговых электродвигателей составляет одну шестую часть мощности главного генератора. А в момент подключения резисторов теряет часть мощности тягового подвижного состава, ввиду чего он имеет малый коэффициент полезного действия 3438 1 Известно устройство изменения тяговой характеристики электроподвижного состава с группами последовательно соединенных непереключаемых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения,содержащее электросиловую цепь с источником питания, группы тяговых электродвигателей с последовательным соединением обмоток якорей с обмотками возбуждения в каждой группе, электропневматические контакторы последовательного соединения групп тяговых электродвигателей с источником питания, электропневматические контакторы для параллельного подсоединения групп тяговых электродвигателей к источнику питания,параллельно подключенные реостаты и диод, где вначале при замкнутых контакторах последовательного соединения групп непереключаемых тяговых электродвигателей, в момент подключения одного из групповых контакторов для выключения цепи последовательного соединения групп непереключаемых тяговых электродвигателей, диод обеспечивает разделение последовательно соединенных групп, непереключаемых между собой тяговых электродвигателей, на параллельное их соединение, где диод зашунтирован с одним из отключающихся контакторов 2. Недостатком данного устройства является то, что в момент перехода с последовательного соединения тяговых электродвигателей на параллельное требуется увеличение подводимой мощности, а в то же время данное устройство имеет малый диапазон регулирования скорости. Наиболее близким по технологической сущности устройством изменения характеристики тягового электроподвижного состава является устройство, содержащее электросиловую схему с главным генератором и последовательно подключенными к главному генератору обмоток якорей группы тяговых электродвигателей и подключенные через силовые контакты реверсора обмотки возбуждения этой группы тяговых электродвигателей, электропневматический контактор последовательного соединения групп тяговых электродвигателей, вторую группу обмоток якорей тяговых электродвигателей и подключенные последовательно к ним через впереди указанный контактор и далее через силовые контакторы реверсора обмотки якорей второй группы тяговых электродвигателей, электропневматические контакторы параллельного соединения групп тяговых электродвигателей с главным генератором и реле управления тяговыми электродвигателями, а в то же время каждая группа обмоток возбуждения зашунтирована резисторами через электромагнитные контакторы силовой цепи 3. Недостатком данного устройства является то, что оно имеет малый диапазон регулировки скорости тягового подвижного состава, а при переходе с последовательного соединения на последовательно-параллельное соединение групп тяговых электродвигателей происходит падение силы тяги тягового подвижного состава, а при подключении резисторов также еще уменьшается коэффициент полезного действия и первая группа тяговых электродвигателей является как бы соединенной накоротко с главным генератором, что вызывает подгорание контактов этой группы тяговых электродвигателей. Задача изобретения - повышение технико-экономических показателей тягового подвижного состава. Поставленная задача изобретения достигается тем, что в устройстве изменения тяговой характеристики электроподвижного состава, содержащем электросиловую схему, включающую в себя главный генератор,реверсор, подключаемые к главному генератору с помощью реле управления тяговые электродвигатели, обмотки якорей которых последовательно соединены в первую и вторую группы, а их обмотки возбуждения объединены в соответствующие первую и вторую группы, а также первый индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения первой и второй групп тяговых электродвигателей и второй и третий индивидуальные электропневматические контакторы для параллельного соединения этих групп с главным генератором, электросиловая схема устройства дополнительно содержит первый групповой электропневматический контактор для последовательного соединения обмоток возбуждения в обеих группах и второй и третий групповые электропневматические контакторы для параллельного соединения обмоток возбуждения в обеих группах, четвертый индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения первой группы обмоток якорей тяговых электродвигателей с первой группой их обмоток возбуждения, пятый индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения второй группы обмоток якорей с первой группой обмоток возбуждения, шестой индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения второй группы обмоток якорей со второй группой обмоток возбуждения, седьмой индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения первой и второй групп обмоток якорей между собой, восьмой индивидуальный электропневматический контактор для последовательного соединения первой и второй групп обмоток возбуждения между собой, при этом все индивидуальные электропневматические и групповые электропневматические контакторы снабжены параллельно подключенными и работающими в автоматическом режиме управления тяговыми электродвигателями соответственно индивидуальными электропневматическими контакторами с диодами и групповыми электропневматическими контакторами с диодами. На фиг. 10 показана электросиловая схема с замкнутыми контакторами с последовательно соединенными тяговыми электродвигателями тягового подвижного состава при трогании его с места - первый вариант, на фиг. 11 показана электросиловая схема с замкнутыми контакторами после первого срабатывания реле управления - второй вариант на фиг. 12 показана электросиловая схема с замкнутыми контакторами при вторичном срабатывании реле управления - третий вариант, на фиг. 13 - то же, четвертый вариант на фиг. 14 - то 4 3438 1 же, пятый вариант на фиг. 15 - то же, шестой вариант на фиг. 16 - то же, седьмой вариант на фиг. 17 - то же, восьмой вариант в табл. 1 показана последовательность включения контакторов и реле в табл. 2 приведены номера контакторов, включенных в силовую схему. Устройство изменения тяговой характеристики электроподвижного состава содержит электросиловую схему, включающая в себя главный генератор 1, фиг. 1 реверсор Р, подключаемые к главному генератору 1 с помощью реле управления тяговые электродвигатели, обмотки якорей 2, 3, 4 фиг. 1 которых последовательно соединены в первую группу, а 5, 6, 7 - во вторую группу, а их обмотки возбуждения 8, 9, 10 объединены в соответствующую первую и 11, 12, 13 в соответствующую вторую группу, а также содержит первый индивидуальный электропневматический контактор 14 фиг. 1 для последовательного соединения первой и второй групп тяговых электродвигателей, и второй - 15, и третий - 16 индивидуальные электропневматичкские контакторы для параллельного соединения этих групп с главным генератором 1. В то же время электросиловая схема устройства дополнительно содержит первый групповой электропневматический контактор ГР-А табл. 2 для последовательного соединения обмоток возбуждения в обеих группах, включающий в себя контакторы 17, 18, 19, 20, и второй ГР-В табл. 2, включающий в себя контакторы 21, 22, 23, 24 и третий - ГР-С, включающий в себя контакторы 25, 26, 27, 28, которые предназначены для параллельного соединения обмоток возбуждения 8, 9, 10 и 11, 12, 13 фиг. 1, 13, 14, 16, 17 в обоих группах. Четвертый индивидуальный электропневматический контактор 29 фиг. 1, 10, 11, 12, 13, 14 для последовательного соединения первой группы обмоток якорей 1, 2, 3 тяговых электродвигателей с первой группой их обмоток возбуждения 8, 9, 10, пятый индивидуальный электропневматический контактор 30 фиг. 1, 11, 13, 15, 16, 17 для последовательного соединения второй группы обмоток якорей 5, 6, 7 с первой группой обмоток возбуждения 8, 9, 10, шестой индивидуальный электропневматический контактор 31 для последовательного соединения второй группы обмоток якорей 5, 6, 7 со второй группой обмоток возбуждения 11, 12, 13, седьмой индивидуальный электропневматический контактор 32 для последовательного соединения первой 2, 3, 4 и второй 5, 6, 7 групп обмоток якорей между собой, восьмой индивидуальный электропневматический контактор 33 для последовательного соединения первой 8, 9, 10 и второй 11, 12, 13 групп обмоток возбуждения между собой. При этом, все индивидуальные электропневматические контакторы 14, 15, 16, 29, 30, 31, 32, 33 и групповые электропневматические контакторы ГР-А, ГР-В, ГР-С снабжены параллельно подключенными и работающими в автоматическом режиме управления тяговыми электродвигателями соответственно индивидуальными электропневматическими контакторами 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 с диодами 42 и групповыми электропневматическими контакторами ГР-, ГР-Е, ГР- с диодами табл. 2, которые включают в себя контакторы ГР- - 43, 44, 45, 46, ГР-Е - 47, 48, 49, 50, ГР- - 51, 52, 53, 54. Движение тепловоза начинается при последовательном соединении всех тяговых электродвигателей, т.е. при замкнутых контактах контакторов 29, 17, 18, 19, 20, 31, 14, что достигается постановкой контроллера в первое поездное положение. Ток от плюса генератора 1 фиг. 1, 10 поступает последовательно к обмоткам якорей тяговых электродвигателей 2,3,4, затем к силовым контактам контактора 29 последовательного соединения обмоток якорей 2, 3, 4 с обмотками возбуждения 8, 9, 10, далее к силовым контактам реверсора Р и далее в обмотки возбуждения 8, 9, 10 этих же тяговых электродвигателей, проходя замкнутые контакты контакторов 17, 18, далее через контактор реверсора Р и замкнутый контактор 14 ток идет в обмотки якорей 5,6, 7 второй группы тяговых электродвигателей, далее через контакты контактора 31 к контактам реверсора Р и далее в обмотки возбуждения 11, 12, 13 второй группы тяговых электродвигателей, проходя замкнутые контакты контакторов 19, 20 группового контактора ГР-А, далее через контактор реверсора ток идет на минус генератора 1 фиг. 1. В этом случае если реверс был поставлен в положение вперед, то тепловоз двинется вперед, реверс механически сблокирован с контроллером, т.е. при рабочем положении контроллера,реверс не перевести на другой ход, а при нейтральном положении реверса контроллер не перевести в рабочее положение. Таким образом, после трогания тепловоза с места и перестановки контроллера машиниста в последующие рабочие позиции, где двигатель внутреннего сгорания увеличивает обороты, а генератор 1 набирает мощность, скорость тепловоза увеличивается. При достижении тепловозом скорости 10-12 км/ч срабатывает реле перехода и создает цепь на катушку контактора Ш 1, прямая блокировка которого создает цепь на катушки контакторов 34, 39 фиг. 1, они подключаются, а обратные блокировки их через промежуточный контактор обесточивают катушки контакторов 14, 31, где они отключаются. Отключение контакторов 14, 31 разрывает прямые электрические цепи, сохраняя питание через контакторы 34, 39 с диодами, а обратные их блокировки создают цепи на катушки контакторов 38, 41, подключение которых способствует подключению контактора 36, а за ним контактора 16, с последующим отключением контактора 34, а затем подключением контакторов 30, 33 и в дальнейшем отключение контакторов 39, 38, 41, 36. Сохраняя подключенными контакторы 29, 17, 18, 19, 20, 16, 30, 33 фиг. 1. При развитии скорости тепловозом 17-18 км/ч, срабатывает реле перехода и создает цепь на катушку контактора Ш 2, подключение которого создает цепь на катушки контакторов 39, 38, а в дальнейшем 35, 41 и дальнейшему отключению контактора 33 и подключению контакторов 15, 31 с дальнейшим отключением контакторов 30, 38, 39, а за ними контакторов 41, 35. Сохраняя подключенными контакторы 29, 17, 18, 15,5 3438 1 16, 31, 19, 20 фиг. 12. Соединение обмоток полюсов и обмоток возбуждения в две параллельные группы способствует уменьшению силы тока в обмотках возбуждения полюсов тяговых электродвигателей, что способствует уменьшению магнитного поля главных полюсов тяговых электродвигателей, уменьшая противоЭДС в обмотках якорей тяговых электродвигателей, создавая возможность развивать скорость тепловоза в дальнейшем. При развитии скорости тепловозом последующих ступеней перехода-переключения, при скоростях 25-26, 3334, 41-42, 49-50, 57-58 км/ч, также способствует ослаблению возбуждения главных полюсов тяговых электродвигателей, снижая его до 16,6 , а в то же время увеличение силы тока в обмотках якорей, используя ее максимальную допустимую, способствует развитию скорости тягового подвижного состава до 450-500 км/ч вместо 100-104 км/ч. Для сохранения равномерной силы тяги тележками тягового подвижного состава, возможны варианты в изменении очередности подключения тяговых электродвигателей, т.е. 6, 1, 5 3, 2, 4 и другие варианты. Применение предложенной электросиловой схемы устройства изменения тяговой характеристики электроподвижного состава путем применения параллельного или последовательно-параллельного соединения полных обмоток возбуждения между собой, с последовательным подключением их к обмоткам якорей тяговых электродвигателей, при последовательном или последовательно-параллельном соединении самих обмоток якорей тяговых электродвигателей, создает возможность сократить расход электроэнергии во столько раз, сколько было параллельных групп тяговых электродвигателей. Сокращение расхода электроэнергии тяговым подвижным составом по предложенной схеме повышает коэффициент полезного действия тягового подвижного состава, а в то же время создает возможность использовать тяговые электродвигатели большей мощности, выполняя большую работу, увеличив вес поезда и развив большую скорость. В то же время применение данного устройства изменения тяговой характеристики электроподвижного состава взамен способа ослабления возбуждения за счет резисторов создает возможность снизить пожароопасность на локомотиве, т.к. оно понижает температуру в высоковольтной камере и в машинном отделении тепловоза, т.к. оно меньше благоприятствует химическому разложению горюче-смазочных материалов, экологически повышает культурно-бытовые условия локомотивных бригад и бригад ремонтной службы. 3438 1 Таблица 1 Последовательности включения контакторов и реле Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.