СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
RAILWAY VEHICLE DRIVE MOTOR CONTROL CIRCUIT

Изобретение относится к схеме управления электродвигателем для рельсового транспортного средства, содержащей расположенный на входе схемы управления электродвигателем повышающий преобразователь, который прикладываемое на стороне входа к схеме управления электродвигателем напряжение сети постоянного тока преобразовывает в постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока, включенный после повышающего преобразователя импульсный инвертор, который предназначен для соединения на стороне выхода с приводным электродвигателем рельсового транспортного средства и пригоден для преобразования постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока повышающего преобразователя в напряжение для привода приводного электродвигателя, и управляющее повышающим преобразователем управляющее устройство, которое управляет при работе повышающим преобразователем так, что он при напряжении сети постоянного тока ниже заданного номинального постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока в качестве постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока создает номинальное постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока.
До настоящего времени для питания рельсовых транспортных средств из сетей постоянного тока использовались весьма различные концепции полупроводниковых преобразователей электроэнергии. В этой связи можно назвать схему Ренфа, схему двойной звезды, трехточечную схему и последовательную схему прерывателей. Подробное описание указанных схем приведено, например, в публикации “Comparison of Multi-System Traction Converters for High-Power Locomotives” (M.M. Bacran, H.-G. Eckel, P. Eckert, H. Gambach, U. Wenkeman, Konferenzbeitrag zur Konferenz PESC 2004 (PESC: Power Electronics Specialists Conference and Exhibition)). Указанные схемы отличаются тем, что входное напряжение сети распределяется на два включенных последовательно полупроводника.
Новые концепции, в которых используется значительно улучшенная в последнее время запирающая способность современных IGBT, базируются на схемной системе, в которой импульсный инвертор установлен непосредственно на входном напряжении сети при промежуточном включении лишь одного фильтра LC. Использование импульсного инвертора непосредственно у сети постоянного тока при промежуточном включении фильтра также описано в указанной выше публикации “Comparison of Multi-System Traction Converters for High-Power Locomotives”.
Другая концепция, в которой также используется значительно улучшенная в последнее время запирающая способность современных IGBT, базируется на схемной системе, в которой входной преобразователь в зависимости от номинального значения напряжения сети может переключаться между системой повышающего преобразователя и системой понижающего преобразователя. На Фиг.1 показана в качестве примера такая схемная система в режиме понижающего преобразования, а на Фиг.2 - та же схемная система в режиме повышающего преобразования.
Если применяемые входные напряжения сети не перекрываются, то выбор номинального постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока в названной последней схемной концепции осуществляется в диапазоне ниже минимального значения напряжения сети постоянного тока с высоким номинальным значением и над максимальным значением напряжения сети постоянного тока с меньшим номинальным значением. Однако такой выбор номинального постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока приводит в конечном итоге к тому, что производительность схемы управления электродвигателем полностью исчерпывается как на стороне входа, так и на стороне выхода.
Поэтому в основу изобретения положена задача создания схемы управления электродвигателем для рельсового транспортного средства, которое предотвращает указанные недостатки.
Эта задача решена согласно изобретению с помощью схемы управления электродвигателем с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Исходя из указанной в начале схемы управления электродвигателем согласно изобретению предусмотрено, что управляющее устройство выполнено так, что оно для напряжения сети постоянного тока выше номинального постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока управляет повышающим преобразователем так, что он на стороне выхода создает идентичное с напряжением сети постоянного тока постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока или максимально большее на заданную величину смещения постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока и это постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока подает в импульсный инвертор.
Существенное преимущество изобретения состоит в том, что нет необходимости в понижающем преобразователе, так что в схеме управления электродвигателем согласно изобретению не требуется на стороне входа схемы управления электродвигателем переключения из режима повышающего преобразования в режим понижающего преобразования, или наоборот, в отличие от указанного выше уровня техники, а именно как в сетях напряжения постоянного тока с низким номинальным значением напряжения сети постоянного тока, так и в сетях постоянного тока с высоким номинальным значением напряжения сети постоянного тока.
Другое существенное преимущество изобретения состоит в том, что за счет использования простого повышающего преобразователя вместо переключаемой комбинации преобразователей из повышающего преобразователя и понижающего преобразователя существенно упрощается конструкция схемы управления электродвигателем, поскольку необходимо лишь одно единственное индуктивное промежуточное звено постоянного тока, а не как при комбинации преобразователей с повышающим преобразователем и понижающим преобразователем два низкоиндуктивных промежуточных звена постоянного тока, которые должны работать в зависимости от выбора преобразователя по отдельности или в параллельной схеме.
При значениях напряжения сети постоянного тока выше номинального постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока можно особенно просто устанавливать постоянное напряжения промежуточного звена постоянного тока повышающего преобразователя и тем самым предпочтительно тем, что тактовое управление повышающего преобразователя устанавливают с помощью управляющего устройства или постепенно переводят на очень небольшие значения тактовой частоты.
Применяемые для режима постоянного напряжения, соответственно, постоянного тока полупроводниковые вентили схемы управления электродвигателем можно получать, например, за счет перегруппировки необходимых для режима переменного напряжения, соответственно, переменного тока полупроводниковых ключевых элементов. Например, когда схема управления электродвигателем снабжена для режима переменного тока двумя регуляторами с механической характеристикой в четырех квадрантах (VQS), то можно для режима постоянного тока с повышающим преобразователем просто изменять четыре фазы блоков VQS для обеспечения возможности работы в режиме повышающего преобразования. Например, в режиме постоянного тока две фазы блоков VQS используются в качестве повышающего преобразователя, а две другие фазы блоков VQS используются в качестве тормозного регулятора.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения схемы управления электродвигателем предусмотрено, что управляющее устройство выполнено так, что значение смещения соответствует минимально необходимому для работы повышающего преобразователя наименьшему значению смещения и/или что значение смещения меньше 10% напряжения сети постоянного тока.
Предпочтительно, схема управления электродвигателем пригодна для обработки, по меньшей мере, двух различных номинальных напряжений постоянного тока, которым соответствуют в соответствии с нормами два допустимых диапазона колебаний напряжения, при этом номинальное постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока предпочтительно имеет такую величину, что оно больше каждого из обоих номинальных напряжений постоянного тока, однако лежит внутри допустимого диапазона колебаний напряжения большего номинального напряжения постоянного тока.
Большее номинальное напряжение постоянного тока может составлять, например, 3,0 кВ, а соответствующий диапазон колебаний напряжения лежать между 2,0 кВ и 3,9 кВ; меньшее номинальное напряжение постоянного тока может составлять, например, 1,5 кВ, а соответствующий диапазон колебаний напряжения лежать между 1,0 кВ и 1,95 кВ (например, с учетом стандартов DIN EN 50163, EN 50163 или UIC600).
Кроме того, в качестве изобретения предлагается рельсовое транспортное средство, содержащее, по меньшей мере, один приводной электродвигатель и, по меньшей мере, одну созданную в соответствии с указанными выше принципами схему управления электродвигателем.
Кроме того, изобретение относится к способу управления приводным электродвигателем рельсового транспортного средства, в котором проверяют, является ли приложенное со стороны входа напряжение сети постоянного тока меньшим заданного номинального постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока, и в случае нахождения напряжения сети постоянного тока ниже заданного номинального постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока создают с помощью повышающего преобразователя в качестве постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока заданное номинальное постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока, и с помощью постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока создают рабочее напряжение для привода приводного электродвигателя.
С учетом такого способа согласно изобретению предлагается, что для напряжения сети постоянного тока выше номинального постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока с помощью того же повышающего преобразователя создают в качестве постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока идентичное напряжению сети постоянного тока напряжение или же напряжение, большее максимально на заданное значение смещения.
Относительно преимуществ способа согласно изобретению справедливы приведенные выше выкладки в связи со схемой управления электродвигателем согласно изобретению.
Предпочтительно, обрабатывается любое из, по меньшей мере, двух заданных различных номинальных постоянных напряжений, которым в соответствии со стандартами соответствуют два допустимых диапазона колебаний напряжения, при этом номинальное постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока задается так, что оно больше каждого из обоих номинальных постоянных напряжений, но ниже допустимого диапазона колебаний напряжения большего номинального постоянного напряжения.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых в качестве примера изображено:
Фиг.3 - пример выполнения схемы управления электродвигателем согласно изобретению.
Фиг.4 - ход изменения постоянного напряжения промежуточного звена постоянного тока в зависимости от приложенного на стороне входа напряжения сети постоянного тока в схеме управления электродвигателем согласно Фиг.3.
Фиг.5 - другой пример выполнения схемы управления электродвигателем согласно изобретению, в которой имеются два повышающих преобразователя, которые образованы компонентами регулятора электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах.
Фиг.6 - схема управления электродвигателем согласно Фиг.5 с другой конфигурацией для обработки приложенного на стороне входа переменного напряжения.
Фиг.7 - другой пример выполнения схемы управления электродвигателем согласно изобретению, при которой возможен как режим постоянного напряжения, так и режим переменного напряжения, и повышающий преобразователь образован компонентами регулятора электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах.
На фигурах для наглядности идентичные или сравнимые компоненты обозначены одинаковыми позициями.
На Фиг.3 показана схема 10 управления электродвигателем, ко входу Е10 которой приложено напряжение Udc сети постоянного тока. Схема 10 управления электродвигателем создает на стороне выхода А10 рабочее напряжение электродвигателя, которое обозначено позицией Umotor и которое может быть, например, напряжением трехфазного тока.
Схема 10 управления электродвигателем имеет на стороне входа повышающий преобразователь 20, за которым включен импульсный инвертор 30. Управление повышающим преобразователем 20 осуществляется с помощью управляющего устройства 40, в котором задается неизменное или изменяющееся в определенных пределах номинальное постоянное напряжение Unenn промежуточного звена постоянного тока.
Управляющее устройство 40 соединено на стороне входа опосредованно или непосредственно со входом Е10 схемы 10 управления электродвигателем, так что в управляющее устройство 20 также подается напряжение Udc сети постоянного тока или соответствующее напряжению Udc сети постоянного тока измерительное значение.
На выходе А40 управляющее устройство 40 создает управляющий сигнал ST, который может быть, например, модулированным по ширине импульсов тактовым сигналом и с помощью которого повышающий преобразователь 20 управляется так, что он из приложенного ко входу напряжения Udc сети постоянного тока создает постоянное напряжения Uzk промежуточного звена постоянного тока. Таким образом, постоянное напряжение Uzk промежуточного звена постоянного тока прикладывается к инвертору 30, который создает на стороне выхода уже упомянутое приводное напряжение Umotor электродвигателя.
Управляющее устройство 40 выполнено так, что оно осуществляет управление повышающим преобразователем 20, соответственно, созданием управляющего сигнала ST в зависимости от лежащего на входе Е10 схемы 10 управления электродвигателем напряжения Udc сети постоянного тока: управляющее устройство 40 создает управляющий сигнал ST так, что в случае напряжения сети постоянного тока Udc < Unenn, в качестве постоянного напряжения Uzk промежуточного звена постоянного тока динамически создается заданное номинальное постоянное напряжение Unenn промежуточного звена постоянного тока; при напряжении сети постоянного тока Udc ≥ Unenn управляющее устройство 40 управляет повышающим преобразователем 20 так, что он создает соответствующее приложенному напряжению Udc сети постоянного тока постоянное напряжение Uzk промежуточного звена постоянного тока. То есть:
Uzk = Unenn при Udc < Unenn и
Uzk = Udc + Uoffset при Udc ≥ Unenn,
при этом Uoffset является напряжением смещения, величина которого лежит в диапазоне между 0 и 10% величины Udc (-Udc/10 ≤ Uoffset ≤ Udc/10). Значение Uoffset можно целенаправленно задавать на стороне пользователя, или же в качестве альтернативного решения оно может обуславливаться техническими свойствами повышающего преобразователя 20: в большинстве повышающих преобразователей 20 технически обусловлено, что минимальное напряжение на выходе повышающего преобразователя 20 всегда немного больше лежащего на входе повышающего преобразователя входного напряжения; это учитывается в приведенных выше уравнениях с помощью напряжения Uoffset смещения.
Ход изменения динамически создаваемого повышающим преобразователем постоянного напряжения Uzk промежуточного звена постоянного тока в зависимости от приложенного на стороне входа напряжения Udc сети постоянного тока показан в качестве примера на Фиг.4. На Фиг.4 для большей наглядности напряжение Uoffset смещения принято равным 0 В.
Если схема управления электродвигателем должна использоваться, например, в многосистемных локомотивах, которые могут работать не только от напряжения постоянного тока, но также от переменного напряжения, то является предпочтительным, когда необходимые для работы многосистемного локомотива от напряжения постоянного тока компоненты схемы управления электродвигателем можно получать посредством схемной перегруппировки и без того необходимых для работы от переменного напряжения компонентов. Такая перегруппировка осуществляется, например, тем, что с помощью нескольких контакторов и переключателей изменяется конфигурация схемы управления электродвигателем в зависимости от выбранного режима работы для режима постоянного тока или режима переменного тока.
На Фиг. 5 и 6 показан пример выполнения схемы 10 управления электродвигателем с измененной конфигурацией, которую можно изменять с помощью не изображенных на фигурах переключателей, соответственно, контакторов для работы как от переменного напряжения, так и от постоянного напряжения. Конфигурация схемы 10 управления электродвигателем для работы от постоянного напряжения показана на Фиг.5, а конфигурация для работы от переменного напряжения показана на Фиг.6.
Схема 10 управления электродвигателем соединена с контактным проводом 90 и имеет, среди прочего, два регулятора 100 и 110 электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах, которые можно применять как для работы от переменного напряжения, так и для работы от постоянного напряжения: в режиме постоянного напряжения (см. Фиг.5) от регуляторов 100 и 110 электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах применяется лишь часть компонентов с целью образования двух работающих параллельно повышающих преобразователей 20 и 20'. Для верхнего повышающего преобразователя 20 используется безынерционный диод 120 и переключатель 130 регулятора 100 электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах, а также индуктивность 140; для нижнего повышающего преобразователя 20' используется безынерционный диод 150 и переключатель 160 регулятора 110 электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах, а также индуктивность 170. К обоим повышающим преобразователям 20 и 20' относится, среди прочего, также общая емкость Czk промежуточного звена постоянного тока.
Таким образом, для работы повышающего преобразователя применяются лишь две фазы обоих регуляторов 100 и 110 электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах, так что обе другие фазы в режиме постоянного напряжения схемы управления электродвигателем можно использовать в качестве тормозного регулятора; естественно, использование тормозного регулятора является необязательным.
На Фиг.7 показан другой пример выполнения схемы 10 управления электродвигателем с измененной конфигурацией, которая предназначена специально для использования в многосистемном локомотиве. Схема управления электродвигателем имеет трансформатор 200, регуляторы 100 и 110 электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах, а также несколько других компонентов, которые можно включать и отключать с помощью переключателей, соответственно, контакторов для различных режимов работы многосистемного локомотива, что приводит к желаемой конфигурации схемы 10 управления электродвигателем. Таким образом, посредством соответствующего переключения компонентов схемы 10 управления электродвигателем возможна работа многосистемного локомотива как от постоянного напряжения, так и от переменного напряжения.
Предпочтительно, в режиме постоянного напряжения регуляторы электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах включаются в качестве тормозных регуляторов и повышающих преобразователей. Например, тяговые обмотки вместе с конденсатором Csk поглощающего контура и дросселем поглощающего контура, который образован индуктивностями L1, L3 и L4, можно включать в качестве фильтра постоянного напряжения. Для дальнейшего упрощения можно, например, в дросселе поглощающего контура интегрировать индуктивность L1 в один из дросселей L3 или L4.
Схемы управления электродвигателем согласно Фиг. 3-7 предпочтительно выполнены так, что они могут обрабатывать, по меньшей мере, два различных номинальных постоянных напряжения, а именно как номинальное постоянное напряжение Udc,nenn = 1,5 кВ, так и номинальное постоянное напряжение Udc,nenn = 3,0 кВ, так что схемы управления электродвигателем обеспечивают возможность работы рельсового транспортного средства в соответствии, по меньшей мере, с одним из стандартов DIN EN 50163, EN 50163 или UIC600. Задаваемое в этом случае в управляющем устройстве 40 согласно Фиг.3 номинальное постоянное напряжение Unenn промежуточного звена постоянного тока выбирается так, что оно больше любого из обоих номинальных постоянных напряжений 1,5 кВ и 3,0 кВ, но лежит внутри допустимого диапазона колебаний напряжения большего номинального постоянного напряжения. При номинальном постоянном напряжении 3,0 кВ диапазон колебаний напряжения составляет в соответствии со стандартами 2,0-3,9 кВ, так что задаваемое номинальное постоянное напряжение Unenn промежуточного звена постоянного тока предпочтительно лежит в диапазоне между 3,0 кВ и 3,9 кВ. Например, номинальное постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока может лежать в диапазоне между 3,2 кВ и 3,7 кВ и составляет, например, 3,5 кВ.
Перечень позиций
10 Схема управления электродвигателем
20,20' Повышающий преобразователь
30 Импульсный инвертор
40 Управляющее устройство
90 Контактный провод
100,110 Регулятор электропривода с механической характеристикой в четырех квадрантах
120 Безынерционный диод
130 Переключатель
140 Индуктивность
150 Безынерционный диод
160 Переключатель
170 Индуктивность
200 Трансформатор
Е10 Вход
А10 Выход схемы управления электродвигателем
А40 Выход управляющего устройства
Czk Емкость промежуточного звена постоянного тока
Csk Емкость
Rb Сопротивление
Lsk,L1 Дроссели
L3,L4 Дроссели
ST Управляющий сигнал
Udc Напряжение сети постоянного тока
Umotor Приводное напряжение электродвигателя
Unenn Номинальное постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока
Uoffset Напряжение смещения
Uzk Постоянное напряжение промежуточного звена постоянного тока
Uac Переменное напряжение