ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТЯГОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ELECTRIC TRACTION SYSTEM FOR RAILWAY VEHICLE

Настоящее изобретение касается электрической тяговой системы для железнодорожного транспортного средства и, в частности, тяговой системы, содержащей средства, такие как токоприемник, для отбора электрической энергии на линии питания, такой как контактная линия или проводник типа третьего рельса, и, по меньшей мере, одну электронную силовую схему, содержащую статический тяговый преобразователь для электрического питания, по меньшей мере, одного электрического двигателя.
Чтобы лучше понять проблемы, связанные с известными техническими решениями, рассмотрим сначала показанные на фиг.1 основные элементы известной тяговой системы.
На этой фигуре показана тяговая система железнодорожного транспортного средства, питаемая постоянным током от контактной линии 2 через токоприемник 4. На другом конце эта тяговая система содержит три группы из двух двигателей 6.
Датчик 8 измерения тока токоприемника установлен на входе устройства 10 выключения, содержащего общий выключатель 12, контактор 14 предварительной нагрузки, объединенный с последовательно подключенным резистором 15, для предварительной нагрузки входных конденсаторов преобразователя, которые будут описаны ниже, и датчик 16 напряжения контактной линии. Общий выключатель 12 выполнен в виде электромагнитного прерывателя.
Каждая группа из двух двигателей 6 получает питание от тяговой коробки 18, содержащей силовую электронику питания соответствующих двух двигателей и, в частности, статический тяговый преобразователь для этих двух двигателей. Каждая тяговая коробка 18 содержит выход 20 со стороны вспомогательных статических преобразователей.
Прежде всего, каждая тяговая коробка 18 содержит электромеханический изолирующий контактор 22, позволяющий изолировать неисправную ветвь, чтобы перевести транспортное средство в аварийный режим. Затем она содержит последовательно соединенные с изолирующим контактором 22 датчик тока 24 и входные индуктивные катушки 26, которые должны выдерживать пиковые токи короткого замыкания перед размыканием выключателя 12. Затем параллельно подключен емкостной фильтр 28.
Также параллельно подключены короткозамыкатель 30, например, типа IGBT или тиристора, а также входные конденсаторы 32 преобразователя и датчик 34 магистрального напряжения.
Короткозамыкатель 30 выполняет функцию ограничителя, позволяющего избегать перенапряжений. Перед запуском тяговой системы производят предварительную нагрузку конденсаторов 32 путем замыкания контактора 14 предварительной нагрузки, в то время как выключатель 12 остается еще разомкнутым.
За всеми вышеуказанными цепями следуют известные также тормозной реостат 36 и трехфазный статический тяговый преобразователь 38, который питает оба двигателя 6 своей группы. Датчики 40 тока измеряют ток, подаваемый на двигатели.
Первая проблема состоит в наличии электромеханического прерывателя 12. Этот прерыватель предназначен для защиты тяговой системы от сверхтоков, возникающих в результате неисправностей типа короткого замыкания, ступенчатого повышения напряжения и т.д., путем своего максимально быстрого размыкания, в частности, в «наихудшем» случае появления сверхтока одновременно на трех магистралях преобразователя. Этот преобразователь характеризуется обычными недостатками механических компонентов, в частности, недостаточной надежностью, чувствительностью к окружающим условиям, необходимостью частого обслуживания и относительно медленной реакцией.
Эти недостатки электромеханических прерывателей характерны также для изолирующих контакторов 22.
Кроме того, следует отметить необходимость наличия системы предварительной нагрузки. Действительно, при запуске тяговой системы нельзя просто замкнуть выключатель 12. Поэтому предусмотрена специальная цепь, содержащая контактор 14 и резистор 15, функцией которого является ограничение тока нагрузки конденсаторов 32. Кроме того, контактор 14 имеет вышеуказанные недостатки механических компонентов.
Другим недостатком является размер входных индуктивных катушек 26. Их размеры определяют таким образом, чтобы выдерживать сверхтоки, возникающие в результате неисправностей типа короткого замыкания или при перенапряжениях на линии питания.
Наконец, следует также отметить наличие силовых электронных компонентов, таких как короткозамыкатели.
Задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков. В частности, настоящее изобретение предлагает электрическую тяговую систему для железнодорожного транспортного средства, позволяющую ограничить и, по мере возможности, исключить использование электромеханических компонентов.
Изобретение предлагает также электрическую тяговую систему для железнодорожного транспортного средства, в которой уменьшены размеры входных катушек индуктивности.
Изобретение позволяет также отказаться от использования короткозамыкателей ограничителей или от любого другого устройства, позволяющего избегать перенапряжений.
В этой связи прежде всего объектом настоящего изобретения является электрическая тяговая система для железнодорожного транспортного средства, содержащая средства отбора электрической энергии на линии питания и, по меньшей мере, одну силовую электронную схему, содержащую статический тяговый преобразователь для электрического питания, по меньшей мере, одного электрического двигателя, при этом указанная система содержит статический контактор-выключатель (CDS или SSCB от solid state circuit breaker на английском языке) между средствами отбора и каждой силовой электронной схемой, управляемый с возможностью размыкания, когда проходящий через него ток достигает заранее определенного порогового значения.
Таким образом, изобретение позволяет отказаться от использования электромеханического выключателя и заменить его силовым электронным компонентом.
В частном варианте выполнения силовая электронная схема содержит входные конденсаторы преобразователя, и статический контактор-выключатель управляется для обеспечения предварительной нагрузки указанных входных конденсаторов.
Также в частном варианте выполнения статический контактор-выключатель управляется для ограничения перенапряжений, возникающих на контактах статического тягового преобразователя в результате перенапряжений в линии питания.
Тяговая система в соответствии с настоящим изобретением может также содержать общий предохранитель между средствами отбора и каждым статическим контактором-выключателем.
В другом варианте выполнения тяговая система в соответствии с настоящим изобретением содержит предохранитель между каждым статическим контактором-выключателем и соответствующей силовой электронной схемой.
Объектом настоящего изобретения является также железнодорожное транспортное средство, содержащее тяговую систему по любому из предыдущих пунктов.
Далее в качестве не ограничительного примера следует описание частных вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых:
Фиг.1 (уже описана) - вид известной тяговой системы.
Фиг.2 - тяговая система согласно первому варианту выполнения.
Фиг.3 - тяговая система согласно второму варианту выполнения.
Далее следует описание отличий между известной тяговой системой, показанной на фиг.1, и тяговыми системами, показанными на фиг.2 и 3. На фиг.2 и 3 для обозначения аналогичных элементов использованы те же цифровые позиции, что и на фиг.1.
В обоих вариантах выполнения изобретения общий электромеханический выключатель 12 тяговой системы заменен индивидуальным статическим контактором-выключателем для каждой тяговой коробки 18, установленным на магистрали постоянного тока. Таким образом, тяговая система содержит в данном случае три статических контактора-выключателя 201, 202, 203 (в случае, показанном на фиг.2) или 301, 302, 303 (в случае, показанном на фиг.3). Статические контакторы-выключатели 201, 202, 203 и 301, 302, 303 являются также изолирующими контакторами. Таким образом, из системы исключены как общий электромеханический выключатель, так и электромеханические изолирующие контакторы, показанные на фиг.1.
В варианте выполнения, показанном на фиг.2, статические контакторы-выключатели 201, 202, 203 установлены на магистрали постоянного тока на входе каждой тяговой коробки 18. Тяговая система содержит единый предохранитель 204 непосредственно на выходе токоприемника 4.
В варианте выполнения, показанном на фиг.3, статические контакторы-выключатели 301, 302, 303 сгруппированы в единой коробке (все или часть этих CDS могут быть объединены). Тяговая система содержит предохранитель 304 на входе каждой тяговой коробки 18.
Пороговым значением срабатывания каждого статического контактора-выключателя является минимальный уровень тока, сверх которого должно происходить его размыкание, то есть который равен значению тока, появляющегося в результате ступенчатого повышения напряжения в контактной линии, которое может привести к изменению напряжения на контактах входного фильтра соответствующего тягового преобразователя от нижнего напряжения до верхнего напряжения блокировки преобразователя.
Что касается функции ограничения перенапряжений на тяговой магистрали, то каждый статический контактор-выключатель управляется таким образом, чтобы поддерживать на контактах входного конденсатора соответствующего тягового преобразователя напряжение в пределах от нижнего напряжения до верхнего напряжения блокировки преобразователя, несмотря на появление перенапряжений в токоприемнике типа «квадратной волны» (например, определенных нормами CEI61287 и EN50163) или типа «синусоидальной волны». Следует заметить, что эта функция используется и является активной только в режиме «тяги»; в режиме «торможения» ограничение обеспечивается реостатным ограничителем.
Команды размыкания и замыкания статических контакторов-выключателей вырабатываются в соответствии с принятой стратегий управления (функция «защита от неисправностей» (сверхток/перенапряжение), функция «режим контактора», функция «режим предварительной нагрузки») в зависимости от команд управления, информации о транспортном средстве (тяга, торможение, потребляемая мощность и т.д.) и данных, поступающих от датчиков тяговой системы (входное напряжение тяговых преобразователей, входной ток тяговых коробок, проходящий в катушках индуктивности входного фильтра тяговых преобразователей, напряжение в контактной линии и т.д.).
Функция «защита от неисправностей» объединяет в себе две следующие подфункции:
- защита от перенапряжений контактной сети, распространяющихся на магистралях преобразователей (только в режиме тяги);
- защита от сверхтоков, возникающих на магистралях преобразователей в режиме тяги и/или торможения) в результате коротких замыканий, скачков напряжения в контактной линии и т.д.
После размыкания устройства можно привести в действие переключатель, установленный последовательно со статическим контактором-выключателем, чтобы увеличить изолирующую способность, обеспечиваемую только силовыми компонентами.