ЦЕПЬ ПИТАНИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ, СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ С ТАКОЙ ЦЕПЬЮ ПИТАНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТАКОЙ ЦЕПЬЮ ПИТАНИЯ
SYNCHRONOUS MACHINE FEED CIRCUIT, CONTINUOUS CURRENT SYSTEM WITH SUCH FEED CIRCUIT AND METHOD OF SUCH FEED CIRCUIT CONTROL

Настоящее изобретение относится к цепи питания, имеющей М выходов питания для подачи питания в синхронную машину с М фазами, цепь, содержащая:
- преобразователь, предназначенный для преобразования постоянного входного тока в многофазный переменный выходной ток, включающий в себя множество М фаз, преобразователь, содержащий два входных вывода и М выходных выводов и выполненный с возможностью подачи многофазного переменного тока в упомянутую машину,
- накопительную батарею, включающую в себя по меньшей мере один накопительный конденсатор, расположенный между входными выводами преобразователя,
- средство детектирования, предназначенное для детектирования короткого замыкания за пределами машины,
- устройство для изоляции машины от перенапряжений и/или токов перегрузки многофазного переменного тока, устройство изоляции, расположенное между преобразователем и М выходами питания, включает в себя множество М ответвлений, каждое ответвление включает в себя по меньшей мере один электрический переключатель для отсоединения соответствующей фазы, установленный между преобразователем и одним из М выходов, и
- средство управления, предназначенное для управления преобразователем и изолирующим устройством.
Настоящее изобретение также относится к системе электрической тяги, содержащей синхронную машину, и к такой цепи питания этого устройства.
Изобретение также относится к способу управления такой цепью питания синхронной машины.
В частности, изобретение относится к высокоскоростным поездам, оборудованным синхронным электродвигателем с постоянными магнитами и цепью питания электродвигателя.
Цепь питания упомянутого выше типа известна. Когда короткое замыкание возникает внутри или снаружи машины, детектируется перенапряжение или перегрузка по току в цепи питания. Если короткое замыкание находится за пределами машины, одно общепринятое решение состоит в использовании средства управления для передачи команды на размыкание переключателей изолирующего устройства. Это решение позволяет изолировать машину от цепи питания и, таким образом, защитить ее от перенапряжения или перегрузки по току, которые были детектированы.
Однако если короткое замыкание возникает за пределами машины, внутри машины возникают существенные импульсные крутящие моменты, а также токи короткого замыкания. Разрыв изолирующего устройства затем недостаточен для существенного уменьшения амплитуды этих импульсных крутящих моментов и тока. Машина фактически получает привод от колес поезда, в котором она установлена, таким образом, работая в режиме "генератора" переменного тока. Возникающие импульсные крутящие моменты, а также токи короткого замыкания приводят к риску возникновения нежелательных явлений, например, таких как блокирование оси.
Одна из целей изобретения, поэтому, состоит в том, чтобы предложить цепь питания для машины, которая позволяет уменьшить амплитуду импульсных крутящих моментов и токов короткого замыкания, образующихся в машине при возникновении короткого замыкания внутри машины.
С этой целью изобретение направлено на цепь питания упомянутого выше типа, в которой средство детектирования также может детектировать короткое замыкание внутри машины, эта цепь включает в себя средство замыкания накоротко, выполненное с возможностью соединения М выходов источника питания друг с другом, и средство управления, выполненное с возможностью передачи команды в средство короткого замыкания для выполнения этой операции.
В соответствии с другими вариантами осуществления, цепь питания содержит одно или больше следующих свойств, рассматриваемых по отдельности или в соответствии со всеми возможными техническими комбинациями:
- средство короткого замыкания расположено между преобразователем и М выходами источника питания;
- средство короткого замыкания включает в себя М электронных переключателей, и каждый переключатель имеет три возможных состояния переключения;
- средство короткого замыкания расположено между накопительной батареей и преобразователем;
- средство управления и средство детектирования совместно используют один и тот же компьютер, расположенный в средстве управления;
- количество М фаз равно трем.
Изобретение также относится к системе электрической тяги, содержащей синхронную машину и цепь питания устройства, в котором цепь питания выполнена так, как определено выше.
Изобретение также относится к способу управления для цепи питания упомянутого выше типа, содержащему этап для детектирования короткого замыкания за пределами или внутри машины, в котором, если короткое замыкание, детектируемое во время этапа детектирования, находится внутри машины, он содержит этап короткого замыкания, используя средство короткого замыкания, М фаз машины путем электрического соединения М выходов источника питания цепи.
Эти характеристики и преимущества изобретения будут понятны при чтении следующего описания, которое представлено исключительно как не ограничительный пример и выполнено со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг.1 представлена схематическая иллюстрация системы электрической тяги в соответствии с изобретением, соединенной с источником постоянного напряжения, содержащим цепь питания в соответствии с первым вариантом осуществления и синхронную машину,
на фиг.2 показана электрическая схема цепи питания по фиг.1, когда в машину по фиг.1 подают ток,
на фиг.3 представлена схематическая иллюстрация цепи питания по фиг.1 во время этапа электрической изоляции между машиной и цепью питания,
на фиг.4 показан вид, аналогичный фиг.3, во время этапа короткого замыкания выходов источника питания цепи питания,
на фиг.5 показана блок-схема последовательности операций, представляющая способ управления для цепи питания в соответствии с изобретением,
на фиг.6 представлена схематическая иллюстрация цепи питания по фиг.1 в соответствии с одним альтернативным вариантом осуществления изобретения, и
на фиг.7 показана электрическая схема цепи питания в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
На фиг.1 система 10 электрической тяги, установленная на борту рельсового транспортного средства, соединена с источником 12 постоянного напряжения. Источник 12 постоянного напряжения представляет собой, например, контактный провод, соединенный с электрической сетью. Источник 12 постоянного напряжения подает номинальное выходное напряжение со значением выше 600 В, например равное 3 кВ.
Система 10 электрической тяги содержит синхронную машину 14 и цепь 16 питания устройства, в соответствии с первым вариантом осуществления. Цепь 16 питания соединена с источником 12 постоянного напряжения для подачи питания в нее.
Машина 14 включает в себя ротор 18 и статор 20. Ротор 18 содержит постоянные магниты. Статор 20 содержит обмотки, сконструированные так, чтобы питание в них подавалось по цепи 16 питания. Машина 14 представляет собой, например, многофазный синхронный электрический двигатель с постоянными магнитами. Машина 14, например, имеет номинальную мощность от 50 кВт до 2 МВт.
Цепь 16 питания содержит преобразователь 22, преобразующий постоянный входной ток в многофазный переменный выходной ток, преобразователь 22 установлен на выходе источника 12 постоянного напряжения. Она также содержит накопительную батарею 24, расположенную между источником 12 постоянного напряжения и преобразователем 22, и изолирующее устройство 26, расположенное на выходе преобразователя.
Цепь 16 питания также содержит средство 27 для короткого замыкания фаз машины 14, которое установлено между изолирующим устройством 26 и машиной 14, и средство 28 для управления преобразователем 22, изолирующим устройством 26 и средством 27 короткого замыкания. Она также содержит средство 30 для детектирования короткого замыкания за пределами или внутри машины. Цепь 16 питания имеет М выходов 31 питания, причем М представляет собой целое число.
Преобразователь 22 включает в себя положительный входной вывод 34А, отрицательный входной вывод 34В и М выходных выводов 36. Каждый выходной вывод 36 соответствует соответствующей фазе многофазного переменного выходного тока, которая может быть подана преобразователем 22.
В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.2, количество М выходов 31, выходных выводов 36 и фаз равно трем. В этом же примерном варианте осуществления преобразователь 22 представляет собой двухуровневый трехфазный обратный преобразователь. В качестве альтернативы, преобразователь 22 представляет собой трехуровневый обратный преобразователь. Обратный преобразователь 22 содержит переключающее ответвление 38 для каждого выходного вывода 36, соответствующего соответствующей фазе А, В, С.
Каждое переключающее ответвление 38 соединено между первым входным выводом 34А и вторым входным выводом 34В. Каждое переключающее ответвление 30 содержит два электрических переключателя 40, соединенных последовательно в том же направлении и соединенных друг с другом в средней точке, каждая средняя точка формирует выходной вывод 36, соответствующий соответствующей фазе А, В, С выходного тока.
Как хорошо известно, каждый электрический переключатель 40 представляет собой двусторонний переключатель тока и односторонний переключатель напряжения. Каждый электрический переключатель 40 содержит транзистор 44 и диод 46, соединенные встречно-параллельно, обеспечивая, таким образом, двусторонний канал циркуляции тока, когда транзистор 44 находится в состоянии включено.
Все электрические переключатели 40 являются, например, идентичными. Транзистор 44, например, представляет собой биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). Затвор каждого транзистора 44 соединен со средством 28 управления для приема соответствующего сигнала управления.
В качестве альтернативы, каждый электрический переключатель 40 содержит определенное число N транзисторов 44, соединенных последовательно в одном и том же направлении, а также определенное число N диодов 46, причем каждый диод 46 соединен встречно-параллельно с транзистором 44, N представляет собой целое число, большее или равное двум.
Накопительная батарея 24, например, содержит накопительный конденсатор 47, соединенный между этими двумя входными выводами 34А, 34В.
Изолирующее устройство 26 выполнено с возможностью изоляции машины 14 от цепи 16 питания в случае перенапряжения и/или перегрузки по току многофазного переменного тока. В примерном варианте осуществления изолирующее устройство 26 представляет изолирующее устройство на вакуумной трубке, изготовленное в соответствии с описанием патентной заявки, поданной под номером FR 290619421 сентября 2006 г. компанией Alstom Transport S.A.
Изолирующее устройство 26 содержит М переключающих ответвлений 50. В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.2, изолирующее устройство 26 включает в себя три переключающих ответвления 50. Каждое переключающее ответвление 50 включает в себя электрический переключатель 52 для разъединения соответствующей фазы. Каждый переключатель 52 имеет два одновременных состояния: открытое состояние и закрытое состояние, и соединен со средством 28 управления для приема такого же сигнала управления. Каждый выход 36 соединен с электрическим переключателем 52.
В качестве альтернативы, каждое ответвление 50 переключения имеет определенное количество Р электрических разъединяющих переключателей 52, включенных последовательно, Р представляет собой целое число, большее или равное двум.
Средство 27 короткого замыкания может соединять М выходов 31 друг с другом, каждый из которых соответствует фазе машины 14. Средство короткого замыкания, в данном примере, представляет собой контактор с двумя состояниями, с традиционным воздушным замыкателем, в соответствии с известной технологией. В качестве альтернативы, средство короткого замыкания представляет собой разъединительный контактор с двумя состояниями, с вакуумной трубкой, как описано со ссылкой на фиг.2 документа FR 2906194. Контактор 27 расположен между изолирующим устройством 26 и выводами 31 источника питания.
Контактор 27 имеет М переключающих выводов 48. В примерном варианте осуществления по фиг.2 контактор 27 имеет три переключающих вывода 48: первый переключающий вывод 48А, второй переключающий вывод 48В и третий переключающий вывод 48С. Каждый вывод 31 соединен с переключающими выводами 48А, 48В, 48С контактора 27.
Переключатель S1A расположен между выводами 48А, 48В, и переключатель S1B расположен между выводами 48В, 48С.
Каждый переключатель S1A, S1B имеет два одновременных состояния: открытое состояние и закрытое состояние.
В его закрытом состоянии переключатель S1A может соединять первый переключающий вывод 48А со вторым переключающим выводом 48В и, таким образом, соединять фазы А и В машины 14. В его открытом состоянии переключатель S1A выполнен с возможностью изоляции выходных потенциалов фаз А и В машины 14 друг от друга.
В его закрытом состоянии переключатель S1B может соединять второй переключающий вывод 48В с третьим переключающим выводом 48С и, таким образом, соединять фазы В и С машины 14. В его открытом состоянии переключатель S1B выполнен с возможностью изоляции выходных потенциалов фаз В и С машины 14 друг от друга.
Каждый переключатель S1A, S1B соединен со средством 28 управления для приема одного и того же сигнала управления.
В качестве альтернативы, контактор 27 заменен любым переключающим устройством, имеющим два положения: первое положение, выполненное с возможностью изоляции М фаз машины 14 друг от друга, и второе положение, выполненное с возможностью соединения М фаз машины 14 с их входной точкой.
Средство 28 управления соединено с каждым электрическим переключателем 40, S1A, S1B, 52, как было отмечено выше. Таким образом, оно подготовлено для передачи сигналов управления в преобразователь 22, изолирующее устройство 26 и контактор 27.
Средство 28 управления включают в себя компьютер, например, выполненный на основе запоминающего устройства 56 и процессора 58.
Запоминающее устройство 56 содержит закон управления и программное обеспечение 60 для применения сигналов управления.
Закон управления может рассчитывать инструкции управления и передавать эти инструкции в программное обеспечение 60. С этой целью, он содержит несколько инструкций управления, включающих в себя инструкцию 62А, на замыкание каждого переключателя S1A, S1B, инструкцию 62В для размыкания каждого переключателя S1A, S1B, а также инструкции на замыкание или размыкание переключателя 52.
Как хорошо известно, программное обеспечение 60 может применять инструкции управления в соответствии с законом управления. В частности, применение инструкции 62А позволяет передавать команды на замыкание переключателей S1A, S1B, когда возникает короткое замыкание внутри машины 14. Применение инструкции 62В позволяет передавать команду на открывание переключателей S1A, S1B в нормальных условиях использования системы 10 электрической тяги.
Процессор 58 данных может выбирать инструкции управления, расположенные внутри закона управления, как функцию определенного события.
В качестве альтернативы, средство 28 управления может быть выполнено в форме программируемых логических компонентов или в форме специализированных интегральных схем.
Средство 30 детектирования соединено с переключающими ответвлениями 38 преобразователя 22. Оно также, например, соединено с компьютером, установленным в средстве 28 управления.
Средство 30 детектирования выполнено с возможностью детектирования короткого замыкания за пределами или внутри машины 14 путем измерения токов, протекающих в переключающих ответвлениях 38 преобразователя 22 и/или путем измерения температуры воздуха внутри электродвигателя.
Для выполнения этих измерений средство 30 детектирования содержит датчики напряжения и/или датчики температуры. В случае детектирования температуры, что не показано на чертежах, средство 30 детектирования подключают к машине 14.
Оно выполнено с возможностью передавать детектируемую информацию в отношении короткого замыкания в компьютер, расположенный в средстве 28 управления.
Работа цепи 16 питания поясняется ниже со ссылкой фиг.2-5.
В исходной конфигурации, показанной на фиг.2, переключатели 52 замкнуты, и переключатели S1A, S1B разомкнуты. Преобразователь 22 и машина 14 электрически соединены через изолирующее устройство 26 и контактор 27. Переменный ток подают из преобразователя 22 в статор 20 машины 14 по каждой из его фаз А, В, С.
Когда возникает электрический дефект внутри или снаружи машины 14, такой как, например, короткое замыкание, на этапе 66 средство 30 детектирования детектирует перегрузку по току, протекающему в переключающих ответвлениях 38 преобразователя 22. Этап 66 показан на фиг.5.
На следующем этапе 68 процессор 58 затем выбирает, в соответствии с законом управления, инструкцию на размыкание переключателя 52. Программное обеспечение 60 выполняет эту инструкцию для размыкания переключателя 52.
Как показано на фиг.3, на этапе 70 переключатели 52 открыты, и переключатели S1A, S1B остаются открытыми. Машина 14 при этом электрически изолирована от цепи 16 питания.
На следующем этапе 72, если возникает короткое замыкание внутри машины 14, процессор 58 выбирает инструкцию 62А закона управления для замыкания переключателей S1A, S1B контактора 27. Программное обеспечение 60 выполняет упомянутую инструкцию 62А.
Как показано на фиг.4, переключатели S1A, S1B замыкаются на следующем этапе 74, переключатели 52 остаются разомкнутыми. Инструкция 62А на замыкание переключателей S1A, S1B контактора 27 поддерживается с помощью программного обеспечения 60 в течение времени симметризации. Три фазы А, В, С машины 14 при этом замкнуты накоротко. Машина защищена от электрического дефекта и продолжает работать в течение полного времени симметризации в соответствии с известным расчетным режимом. Этап 74 симметризации заканчивается при остановке рельсового транспортного средства и/или в результате вмешательства оператора, ответственного за ремонт системы 10 электрической тяги. В ходе всего этапа 74, то есть в течение времени симметризации, машина 14 продолжает работать, но переходит с режима работы "двигателя" на режим работы "генератора" переменного тока, при котором привод машины осуществляется от колес рельсового транспортного средства.
В качестве альтернативы, между этапом 66 и этапом 68 средство 28 управления предпочтительно передает команду на замыкание средства 40 короткого замыкания, подключенного к тому же входному выводу 34А, 34В, в соответствии с известным способом симметризации. Средство 40 короткого замыкания представляет собой электрические переключатели, например три переключателя.
Такое замыкание средством 28 управления переключателей 40, подключенных к одному и тому же входному выводу 34А, 34В, с одной стороны, позволяет упростить размыкание переключателей 52 изолирующего устройства 26 и, с другой стороны, приводит к восстановлению баланса токов, протекающих в машине 14.
Можно видеть, что после детектирования короткого замыкания внутри машины 14 такой способ управления позволяет уменьшить амплитуду импульсных крутящих моментов и токов короткого замыкания в машине в течение всего времени симметризации.
Кроме того, такой способ управления позволяет существенно уменьшить потери в обратном преобразователе 22, поскольку здесь не требуется поступления какой-либо команды от обратного преобразователя 22 на короткое замыкание фаз машины.
Такой вариант осуществления представляет собой предпочтительный вариант воплощения изобретения.
В альтернативном варианте осуществления, который не показан, средство 30 детектирования установлено на выходе средства 27 короткого замыкания и соединено с машиной 14. Средство 30 детектирования также подключено в соответствии с альтернативным вариантом осуществления к компьютеру, установленному в средстве 28 управления, и выполнено с возможностью измерения фазовых токов устройства 14 в любой момент времени.
Работа цепи 16 питания, в соответствии с такими альтернативными вариантами осуществления, описана со ссылкой на те же этапы 66-72, в соответствии с работой предпочтительного варианта осуществления. В отличие от предпочтительного варианта осуществления, во время этапа 74 симметризации средство 30 детектирования постоянно измеряет фазные токи устройства 14. Пока присутствует несбалансированность между этими фазовыми токами, поддерживается инструкция 62А на замыкание переключателей S1A, S1B контактора 27, и три фазы А, В, С машины 14 остаются короткозамкнутыми. Если измерения токов, подаваемых средством 30 детектирования, обозначают, что баланс восстановлен, во время дополнительного этапа процессор 58 выбирает инструкцию 62В для замыкания переключателей S1A, S1B. Программное обеспечение 60 выполняет эту инструкцию, замыкает переключатели S1A, S1B, и цепь 16 питания возвращается к конфигурации, показанной на фиг.3.
Также, в качестве альтернативы, что не показано, средство 27 короткого замыкания устанавливают между преобразователем 22 и изолирующим устройством 26. Изолирующее устройство 26 затем подключают к машине 14. В соответствии с таким альтернативным вариантом осуществления, средство 27 короткого замыкания представляет собой, например, двусторонний контактор или прерыватель цепи.
Операция, выполняемая цепью 16 питания, в соответствии с этими альтернативными вариантами осуществления, описана теми же этапами 66-72, соответствующими операциям предпочтительного варианта осуществления. Эти этапы, поэтому, не будут описаны снова. В отличие от предпочтительного варианта осуществления, во время этапа 74 симметризации переключатели 52 не остаются разомкнутыми. Более конкретно, после замыкания переключателей S1A, S1B контактора 27 процессор 58 выбирает, в соответствии с законом управления, инструкцию на замыкание переключателей 52. Программное обеспечение 60 исполняет эту инструкцию на замыкание переключателей 52, и переключатели 52 замыкаются.
В еще одной, другой альтернативе, представленной на фиг.6, изолирующее устройство и средство короткого замыкания размещены в одном и том же корпусе 80. Средство 80 короткого замыкания затем в этом примере представляет собой изолирующий контактор с тремя состояниями. Изолирующий контактор 80 представляет собой, например, контактор на основе вакуумной трубки.
Изолирующий контактор 80 содержит М переключающих ответвлений 82, причем каждое переключающее ответвление 82 соединено между выходным выводом 36 преобразователя 22 и одной из М фаз статора 20 машины 14.
В примерном варианте осуществления на фиг.6 количество М фаз равно трем. Изолирующий контактор 80 включает в себя три ответвления 82: первое ответвление 82А, второе ответвление 82В и третье ответвление 82С.
Каждое ответвление 82А, 82В, 82С включает в себя переключатели 84 с тремя состояниями.
Каждый переключатель 84 выполнен с возможностью переключения, в соответствии с электронным сигналом управления, подаваемым через его выводы, между первым состоянием, вторым состоянием и третьим состоянием. Первое состояние, показанное на фиг.6, соответствует электрической изоляции между машиной 14 и преобразователем 22. Второе состояние соответствует электрическому соединению между машиной 14 и преобразователем 22. Третье состояние соответствует электрическому соединению между выходами 31 цепи 16.
Средство управления 28 подключено к каждому переключателю 84 изолирующего контактора 80 и выполнено с возможностью передачи сигналов управления в упомянутые переключатели 84.
Операция цепи 16 питания в соответствии с этими альтернативными вариантами осуществления аналогична представленной в предпочтительном варианте осуществления и, поэтому, не будет описана снова.
На фиг.7 иллюстрируется второй вариант осуществления изобретения, для которого элементы, аналогичные первому варианту осуществления, описанному выше, обозначены с использованием идентичных номеров ссылочных позиций.
В соответствии со вторым вариантом осуществления, система 10 электрической тяги содержит синхронную машину 14 и цепь 86 питания этого устройства.
Цепь 86 питания содержит средство 88 для короткого замыкания фаз машины 14, расположенное между накопительной батареей 24 и преобразователем 22. Более конкретно, средство 88 короткого замыкания расположено между конденсатором 47 и преобразователем 22.
Средство 88 короткого замыкания представляет собой, в данном примере, переключатели. Переключатель 80 соединен параллельно с конденсатором 47, между двумя входными выводами 34А, 34В.
Закон управления содержит инструкцию 90А на замыкание переключателя 88 и инструкцию 90В на размыкание переключателя 88.
Операция цепи 86 питания, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, поясняется ниже.
В исходной конфигурации переключатели 52 замкнуты, и переключатель 88 разомкнут. Преобразователь 22 и машина 14 электрически соединены с помощью изолирующего устройства 26. Переменный ток подают с помощью преобразователя 22 в статор 20 машины 14, в каждую из его фаз А, В, С.
Когда возникает короткое замыкание внутри или снаружи машины 14, средство 30 детектирования детектирует во время этапа перегрузку по току, протекающему в переключающих ответвлениях 38 преобразователя 22.
Во время следующего этапа, если короткое замыкание находится внутри машины 14, средство 28 управления передает команду на размыкание шести электрических переключателей 40 преобразователя 22. Процессор 58 затем выбирает, в пределах закона управления, инструкцию 90А для замыкания переключателя 88. Программное обеспечение 60 выполняет упомянутую инструкцию 90А.
Переключатель 88 затем замыкают в течение следующего этапа, переключатели 52 остаются замкнутыми. Инструкция 90А на замыкание переключателя 88 поддерживается программным средством 60 в течение времени симметризации.
Цепь питания, в соответствии с изобретением, таким образом, позволяет уменьшить амплитуду импульсных крутящих моментов и токов короткого замыкания, формирующихся в машине, когда короткое замыкание возникает внутри машины, чтобы, таким образом, исключить возникновение нежелательных явлений.