СПОСОБ ПИТАНИЯ РЕЗЕРВНЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ, ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF FEEDING STANDBY AUXILIARY CONSUMING HARDWARE, AUXILIARY CONVERTER AND RAILWAY VEHICLE TO THIS END

Изобретение относится к способу питания резервного вспомогательного оборудования, вспомогательному преобразователю и железнодорожному транспортному средству, в котором используется этот способ.
Известны способы питания резервного вспомогательного оборудования железнодорожного транспортного средства посредством аккумуляторного устройства накопления электрической энергии, установленного в транспортном средстве. Устройство накопления энергии выполнено с возможностью накопления количества энергии, достаточного для обеспечения работы резервного вспомогательного оборудования в аварийном режиме в течение более тридцати минут, как правило, от 30 минут до одного часа.
Известные способы содержат нормальный режим, в котором зарядное устройство питает низковольтные вспомогательные приборы и заряжает устройство накопления электрической энергии, причем это зарядное устройство выполнено с возможностью подачи постоянного напряжения, позволяющего заряжать устройство накопления электрической энергии, путем преобразования трехфазного напряжения.
Предложенное изобретение касается усовершенствования вспомогательного преобразователя:
- предназначенного для питания постоянным током от контактной сети постоянного напряжения или от однофазного моста принудительной коммутации (PMCF) в случае контактной сети переменного напряжения,
- имеющего общую схему DPI (Direct PWM Inverter - прямой преобразователь широтно-импульсной модуляции) с низкочастотным трансформатором на выходе (обычно 50 Гц или 60 Гц),
- содержащего зарядное устройство, питаемое низкочастотным трансформатором и, в случае необходимости, от стационарной сети 400 В переменного напряжения.
Трехфазное напряжение получают из постоянной электрической энергии, снимаемой на контактной линии через инвертор или промежуточную шину постоянного тока, питаемую при помощи однофазного выпрямительного моста принудительной коммутации (PMCF) в случае контактной линии переменного напряжения.
Зарядное устройство содержит:
- три входных контакта, каждый из которых соединен с одной из фаз трехфазного напряжения,
- по меньшей мере два выходных контакта, чаще всего три выходных контакта, два из которых соединены с устройством накопления электрической энергии, на которые подается выпрямленное постоянное напряжение.
Как правило, зарядные устройства имеют три выходных контакта: два с положительной полярностью и один с отрицательной полярностью, при этом первый контакт с положительной полярностью соединен напрямую с батареей. Второй контакт с положительной полярностью оборудован обратным диодом и подает питание на вспомогательные приборы, которые должны работать от постоянного напряжения, что позволяет создать на поезде вспомогательную сеть низкого напряжения, в случае необходимости, питаемую несколькими батареями и несколькими зарядными устройствами, причем с гарантией, что в случае короткого замыкания батареи или зарядного устройства подача питания на шину не прекратится.
Зарядное устройство также содержит:
- трехфазный выпрямитель, каждое из трех плеч которого соединено на входе с трехфазной сетью и в котором выход постоянного тока соединен с выходными контактами зарядного устройства, при этом выпрямитель является либо тиристорной мостовой схемой, либо смешанной диодно-тиристорной мостовой схемой,
- блок управления коммутацией тиристоров для выпрямления трехфазного напряжения.
Вспомогательным оборудованием железнодорожного транспортного средства являются все электрические потребители, находящиеся в железнодорожном транспортном средстве, за исключением тяговых двигателей. Это вспомогательное оборудование является потребителями двух типов:
- потребители переменного трехфазного напряжения, питаемые средним напряжением, и
- потребители, питаемые низким напряжением.
Потребители переменного трехфазного среднего напряжения из соображений избыточности питаются от нескольких вспомогательных преобразователей либо через разные сети (как правило, две), которые в случае неисправности вспомогательного преобразователя могут быть соединены между собой при помощи соединительного контактора, либо через единую сеть, при этом вспомогательные преобразователи синхронизированы между собой. Под средним напряжением следует понимать трехфазное напряжение, находящееся в пределах от 350 В до 500 В. Такими вспомогательными потребителями среднего напряжения являются, например, кондиционеры, радиаторы для обогрева внутреннего помещения вагонов, осветительное оборудование или увлажнители.
Потребители постоянного низкого напряжения питаются от сети низкого напряжения с буферной батареей, при этом стандартными значениями низкого напряжения батарей являются значения постоянного напряжения 24, 48, 72, 96 и 110 В. Такими вспомогательными потребителями низкого напряжения являются, например, бортовые приборы, электроника контроля, сеть оповещения пассажиров, осветительное оборудование все или его часть.
Вспомогательным преобразователем называют электрическое устройство, выполненное с возможностью подачи среднего трехфазного напряжения и низкого постоянного напряжения для питания вспомогательных потребителей от электрической энергии, снимаемой с контактной линии. Как правило, это устройство установлено внутри единого закрытого корпуса.
В дальнейшем под «низким напряжением» следует понимать постоянное напряжение ниже 150 В.
Термином «контактная линия» обозначают как воздушные провода, подвешенные над железнодорожными путями и обеспечивающие питание железнодорожного транспортного средства, так и третий рельс, который установлен на земле вдоль железнодорожного пути и по которому скользит башмак, обеспечивая питание железнодорожного транспортного средства электрической энергией.
Частоту коммутации управляемого электронного элемента коммутации мощности определяют как величину, обратно пропорциональную числу коммутаций этого элемента на единицу времени. Обычно эта частота коммутации равна частоте несущей широтно-импульсной модуляции, когда моменты коммутации определяют посредством такого способа. Выражение «широтно-импульсная модуляция» иногда известна под аббревиатурой ШИМ.
В известных способах управляемые выключатели содержат тиристоры, и между выходными контактами зарядного устройства установлен фильтр нижних частот для сглаживания выпрямленного постоянного напряжения. Обычно этот фильтр содержит последовательно соединенные конденсатор и катушку индуктивности, причем фильтр этого типа является необходимым, так как тиристоры действуют импульсами напряжения на выход выпрямителя.
В настоящее время этот индуктивно-емкостной фильтр является громоздким и тяжелым, и наличие гармоник выпрямления оказывает также влияние на трехфазный фильтр сети среднего напряжения.
Благодаря использованию известного регенеративного выпрямителя вместо тиристорного выпрямителя, можно исключить катушку индуктивности фильтра зарядного устройства, а также гармоники низкой частоты, связанные с выпрямлением.
Кроме того, некоторые вспомогательные потребители трехфазного переменного напряжения, в частности аварийная система вентиляции метропоездов, требуют установки соответствующих инверторов, соединяемых с батареей таким образом, чтобы обеспечить возможность питания в аварийном режиме, то есть в отсутствие напряжения от контактной линии, когда питание не подается на главный инвертор, который при нормальном режиме питается от контактной линии.
Это приводит к увеличению массы и габаритов оборудования и, следовательно, к дополнительным производственным затратам.
Задачей изобретения является уменьшение массы и габаритов оборудования, необходимого для работы на нормальном и аварийном режимах, при сохранении характеристик фильтрования гармоник, обеспечиваемых известным оборудованием.
Объектом настоящего изобретения является способ питания вспомогательных трехфазных потребителей, который содержит следующие этапы:
- в каждом плече выпрямителя устанавливают два управляемых электронных элемента коммутации мощности, выполненных с возможностью управляемого размыкания и замыкания и с возможностью коммутации в нормальном режима тока, циркулирующего в плече, где они установлены,
- в нормальном режиме блок управления управляет включением и выключением электронных элементов в определенные моменты для выпрямления трехфазного напряжения, при этом частота коммутации электронных элементов по меньшей мере в двадцать раз превышает основную частоту трехфазного напряжения, и
- в аварийном режиме, то есть в отсутствие напряжения в контактной линии, главный инвертор больше не управляется, и зарядное устройство используется как инвертор путем подачи команды от блока управления,
- блок управления управляет переключением электронных элементов из пропускного состояния в непропускное состояние и наоборот в определенные моменты для подачи трехфазного напряжения на вспомогательную сеть, обеспечивающую работу резервных вспомогательных потребителей, при этом указанное трехфазное напряжение получают за счет энергии, накопленной в устройстве накопления электрической энергии.
В вышеуказанном способе использование управляемых электронных элементов, в частности транзисторов, позволяет свободно определять не только момент включения, но и момент выключения. Таким образом, транзистор предоставляет больше возможностей управления, чем тиристор, в котором управляемым является только включение. В данном случае эту дополнительную возможность используют для отсечки выпрямляемого тока с частотой коммутации, намного превышающей частоту трехфазного напряжения. Отсечка с высокой частотой позволяет использовать паразитную индуктивность трансформатора для осуществления сглаживания тока и, следовательно, обходиться без выходной катушки индуктивности. Таким образом, выпрямитель превращается в источник тока. Создаваемые таким образом гармоники тока могут фильтроваться конденсатором, установленным на выходе зарядного устройства.
Кроме того, за счет того, что выпрямитель состоит из шести управляемых электронных элементов коммутации мощности, он является реверсивным, то есть может быть использован как инвертор в отсутствие напряжения контактной линии (аварийный режим). В этом случае он может питать определенные вспомогательные потребители переменного питания (аварийная вентиляция) без использования специального отдельного резервного инвертора.
Варианты осуществления этого способа могут содержать один или несколько следующих отличительных признаков:
- частота коммутации электронных элементов превышает также в двадцать раз основную частоту производимого трехфазного напряжения;
- в нормальном режиме трехфазный трансформатор выдает трехфазное среднее напряжение от 350 до 550 В на вспомогательную шину за счет энергии, снимаемой на контактной линии, для питания вспомогательных потребителей, которые соединены с этой вспомогательной шиной;
- контактная линия является линией постоянного напряжения, и в нормальном режиме инвертор производит трехфазное напряжение на входе трехфазного трансформатора за счет энергии, снимаемой с контактной линии;
- контактная линия является линией переменного напряжения, и в нормальном режиме однофазный выпрямительный мост производит выпрямленное постоянное напряжение на входе инвертора, соединенного на входе с трехфазным трансформатором;
- в нормальном режиме блок управления может синхронно управлять управляемыми выключателями трех плеч и инвертора;
- управляемые электронные элементы коммутации мощности являются транзисторами, предпочтительно типа IGBT или GTO;
- в нормальном режиме:
- блок управления устанавливает величину, характеризующую активную мощность на основании измерений трехфазного тока и трехфазного напряжения,
- блок управления считывает заданное значение активной мощности, которое определяет значение активной мощности, передаваемой зарядным устройством между входными и выходными контактами, а также направление передачи активной мощности между его контактами;
- блок управления определяет моменты коммутации управляемых электронных элементов коммутации мощности в зависимости от разности между заданным значением активной мощности и установленной величиной, характеризующей активную мощность;
- блок управления устанавливает величину, характеризующую реактивную мощность на основании измерений трехфазного тока и трехфазного напряжения;
- блок управления запрограммирован с заданным значением реактивной мощности, которое определяет значение реактивной мощности, передаваемой зарядным устройством между входными и выходными контактами, а также направление передачи реактивной мощности между его контактами;
- блок управления определяет моменты коммутации транзисторов в зависимости от разности между заданным значением реактивной мощности и установленной величиной, характеризующей реактивную мощность;
- в нормальном режиме заданное значение реактивной мощности является нулевым;
- в аварийном режиме блок управления регулирует напряжение и частоту сети по заранее определенным значениям, введенным в запоминающее устройство;
- перед переходом из нормального режима в аварийный режим блок управления определяет моменты коммутации транзисторов таким образом, чтобы аннулировать разность между фазой трехфазного напряжения, измеренного на вспомогательной шине, и фазой трехфазного напряжения между входными контактами зарядного устройства, причем эта последняя фаза зависит только от моментов коммутации транзисторов.
Эти варианты осуществления способа питания имеют также следующие преимущества:
- управление коммутацией транзисторов для получения трехфазного напряжения позволяет использовать одни и те же транзисторы для подзарядки устройства накопления энергии и для питания вспомогательных резервных потребителей, что снижает затраты и уменьшает габариты оборудования, необходимого для питания резервных вспомогательных потребителей,
- использование трехфазного трансформатора для получения среднего напряжения, которое питает вспомогательную шину, позволяет использовать одни и те же вспомогательные шины для питания резервных вспомогательных потребителей как в нормальном режиме, так и в аварийном режиме,
- определение моментов коммутации транзисторов в зависимости от разности между заданным значением реактивной мощности и измеряемой величиной, характеризующей реактивную мощность, позволяет регулировать реактивную мощность, которая проходит через входные контакты в направлении выходных контактов зарядного устройства,
- установление нулевой реактивной мощности в нормальном режиме позволяет ограничить потери энергии,
- определение моментов коммутации транзисторов в зависимости от разности между фазой трехфазного напряжения на вспомогательной шине и фазой напряжения между входными контактами зарядного устройства позволяет обеспечивать непрерывность фазы трехфазного напряжения на вспомогательной шине, когда происходит переход от нормального режима к аварийному режиму,
- поскольку аварийный режим отличается генерированием напряжения на входе главного инвертора путем пассивного выпрямления трехфазного напряжения на первичной обмотке трансформатора, это явление можно использовать с целью:
- предварительной зарядки конденсатора входного фильтра главного инвертора от батареи, используя зарядное устройство батареи в режиме инвертора (исключение контактора и резистора предварительной зарядки),
- воспроизведение напряжения контактной линии, что можно использовать как источник энергии для обеспечения движения поезда в отсутствие контактной линии.
Объектом настоящего изобретения является также вспомогательный преобразователь, содержащий:
- трехфазный инвертор, выполненный с возможностью генерирования трехфазного напряжения за счет электрической энергии, снимаемой на контактной линии,
- трехфазный трансформатор с тремя наборами обмоток - первичным, вторичным и третичным - соединенный с трехфазным выходом инвертора через первичный набор обмоток трансформатора, при этом узел инвертор/трансформатор выполнен с возможностью преобразования в нормальном режиме напряжения контактной линии в трехфазное среднее напряжение, находящееся в пределах от 350 В до 500 В, получаемое на вторичном наборе обмоток трансформатора и подаваемое на вспомогательную сеть питания вспомогательных потребителей,
- зарядное устройство, соединенное с третичным набором обмоток трансформатора и выполненное с возможностью генерирования в нормальном режиме выпрямленного постоянного напряжения из трехфазного напряжения, выдаваемого трехфазным инвертором, при этом зарядное устройство содержит:
- три входных контакта, каждый из которых соединен с обмоткой третичного элемента трансформатора,
- два выходных контакта, соединенные с устройством накопления электрической энергии, на которые подается выпрямленное постоянное напряжение,
- три плеча, параллельно соединенные между двумя выходными контактами, при этом каждое плечо содержит два управляемых выключателя, последовательно соединенные при помощи центральной точки, при этом каждая центральная точка соединена с соответствующим входным контактом,
- блок управления коммутацией выключателей для выпрямления трехфазного напряжения,
- каждый из выключателей содержит, по меньшей мере, один управляемый электронный элемент коммутации мощности, выполненный с возможностью управляемого размыкания в непропускном состоянии и замыкания в пропускном состоянии и с возможностью коммутации тока, циркулирующего в плече, в котором он находится, и
- блок управления выполнен с возможностью управления коммутацией электронных элементов зарядного устройства из пропускного состояния в непропускное состояние и из непропускного состояния в пропускное состояние в определенные моменты для выпрямления трехфазного напряжения, при этом частота коммутации электронных элементов, по меньшей мере, в двадцать раз превышает основную частоту трехфазного напряжения.
Варианты выполнения этого преобразователя могут содержать один или несколько следующих отличительных признаков:
- блок управления выполнен с возможностью управления в аварийном режиме коммутацией электронных элементов из пропускного состояния в непропускное состояние и наоборот в определенные моменты для получения трехфазного напряжения между входными контактами из постоянного напряжения, присутствующего между его выходными контактами, при этом частота коммутации транзисторов, по меньшей мере, в двадцать раз превышает частоту получаемого трехфазного напряжения;
- зарядное устройство электрически изолировано от трехфазного инвертора при помощи трехфазного трансформатора.
Объектом настоящего изобретения является также железнодорожное транспортное средство, содержащее:
- вспомогательную трехфазную сеть,
- по меньшей мере один резервный вспомогательный потребитель, питание которого сохраняется в течение более тридцати минут в аварийном режиме, при этом указанный потребитель соединен с вспомогательной сетью,
- аккумуляторное устройство накопления электрической энергии, соединяемое с каждым резервным вспомогательным потребителем, при этом указанное устройство выполнено с возможностью накапливания достаточного количества энергии для обеспечения работы в аварийном режиме всех резервных вспомогательных потребителей в течение более тридцати минут за счет этого единственного источника энергии,
- по меньшей мере, один описанный выше вспомогательный преобразователь.
Настоящее изобретение будет более понятно из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на чертежи.
На фиг.1 показана схема железнодорожного транспортного средства, оборудованного зарядным устройством;
на фиг.2 - схема блока управления зарядного устройства, показанного на фиг.1;
на фиг.3 - блок-схема способа питания резервных вспомогательных потребителей в транспортном средстве, изображенном на фиг.1;
на фиг.4 показан векторный график в соответствии со способом, изображенным на фиг.3;
на фиг.5 - схема модели зарядного устройства железнодорожного транспортного средства, показанного на фиг.1, используемой для моделирования способа, показанного на фиг.3;
на фиг.6, 10 и 14 изображены временные диаграммы, показывающие форму волны фазы трехфазного тока, выдаваемой зарядным устройством;
на фиг.7 и 11 - графики, показывающие спектр тока, изображенного на фиг.6 и 10 соответственно;
на фиг.8, 12 и 15 - временные диаграммы, показывающие изменение постоянного напряжения, выпрямленного зарядным устройством, при разных частотах коммутации;
на фиг.9 и 13 - графики, показывающие спектр напряжений, изображенных на фиг.8 и 12 соответственно.
На фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
В дальнейшем подробное описание характеристик и функций, хорошо известных специалистам, опущено.
На фиг.1 показано железнодорожное транспортное средство 2, питаемое электричеством через пантограф 4, скользящий по контактной линии 6 питания. Контактная линия 6 питается высоким напряжением, то есть, как правило, постоянным напряжением с номинальным значением, превышающим или равным 600 В. Например, в данном случае напряжение питания контактной линии 6 равно 1500 В.
Транспортное средство 2 является, например, метропоездом, оборудованным аварийной вентиляцией, железнодорожным поездом или трамваем.
Транспортное средство 2 содержит вспомогательный преобразователь 10, выполненный с возможностью питания вспомогательной сети 12 трехфазным средним напряжением. Трехфазное напряжение на шине 12 равно 400 В.
Вспомогательная сеть 12 содержит три фазовых провода 14-16 и нулевой провод 18.
Как правило, вспомогательная сеть проходит через несколько вагонов транспортного средства 2.
В данном варианте транспортное средство 2 содержит по меньшей мере два вспомогательных преобразователя и, как правило, по меньшей мере две шины постоянного напряжения на 400 В.
Все вспомогательные потребители, находящиеся в этом транспортном средстве 2, соединены с шиной 12. Потребители низкого постоянного напряжения на этой схеме не показаны.
Вспомогательные потребители распределены на две группы: группу простых вспомогательных потребителей и группу резервных вспомогательных потребителей. Простыми вспомогательными потребителями являются потребители, которые должны питаться в нормальном режиме и не должны питаться в аварийном режиме. В данном случает нормальный режим определяется как режим работы, при котором простые вспомогательные потребители питаются за счет энергии, снимаемой пантографом 4. Резервные вспомогательные потребители в нормальном режиме тоже питаются через шину 12 за счет энергии, снимаемой пантографом 4.
Аварийный режим определяют как режим работы, в котором питание подается только на резервные вспомогательные потребители. В аварийном режиме эти потребители питаются только от устройства накопления электрической энергии, установленного на транспортном средстве 2.
Обычно аварийный режим соответствует режиму работы транспортного средства 2, наступающему в результате прекращения питания транспортного средства 2 от контактной сети 6. Такое прекращение питания может иметь случайный характер или может быть вынужденным.
Для упрощения на фиг.1 показаны только один простой вспомогательный потребитель 20 и один резервный вспомогательный потребитель 22.
Потребителем 20 является, например, система кондиционирования вагона. Потребитель 20 соединен с вспомогательной сетью 12 через управляемый контактор 24. Контактор 24 выполнен с возможностью электрического изолирования потребителя 20 от шины 12 в аварийном режиме.
Потребитель 22 соединяют, минуя контакторы, с сетью 12 таким образом, чтобы он мог питаться как в нормальном режиме, так и аварийном режиме. Потребителем 22 является, например, вентилятор, предназначенный для обеспечения циркуляции воздуха в одном из вагонов транспортного средства 2, питаемом средним напряжением.
В данном случае преобразователь 10 выполнен также с возможностью питания низким напряжением шины постоянного тока, образованной двумя проводами 28 и 30, электрически изолированными друг от друга. В данном случае низкое напряжение, как правило, равно 110 В.
Аккумуляторное устройство 32 накопления электрической энергии электрически подсоединено между проводами 28 и 30. Аккумуляторное устройство 32 накопления энергии содержит два выходных контакта.
Устройство 32 выполнено с возможностью накопления достаточной энергии для обеспечения независимого питания аварийных вспомогательных потребителей в течение более тридцати минут. Например, в данном случае устройство 32 является батареей.
Преобразователь 10 соединен при помощи проводов 36 и 38, электрически изолированных друг от друга.
Преобразователь 10 содержит установленные в одном и том же металлическом корпусе и соединенные последовательно один за другим в следующем порядке следующие элементы:
- цепь 40 изоляции и предварительной зарядки,
- фильтр 42,
- инвертор 44,
1
2
3
1
2
3
- выходной синусоидальный фильтр, образованный комплектом из трех трехфазных катушек индуктивности L, L, L и комплектом конденсаторов C, C, C,
- трансформатор 48.
Цепь 40 содержит выключатель или контактор 50, последовательно соединенный с проводом 36 таким образом, чтобы обеспечивать изолирование преобразователя, когда выключатель 50 разомкнут, и соединение преобразователя с его источником питания, когда выключатель 50 замкнут.
В варианте выполнения контактной сети переменного напряжения преобразователь соединяют проводами 36 и 38 с однофазным мостом принудительной коммутации (PMCF), питаемым от контактной сети через трансформатор.
Цепь 40 содержит также соединенные параллельно с выключателем 50 управляемый выключатель или контактор 52, последовательно соединенный с резистором 54 предварительной зарядки. Цепи предварительной зарядки хорошо известны, поэтому подробное описание цепи 40 опущено.
f
Фильтр 42 является индуктивно-емкостным фильтром, содержащим катушку индуктивности L, последовательно соединенную с проводом 36, и конденсатор C, подсоединенный между проводом 36 и проводом 38.
T
T
T
Инвертор 44 выполнен с возможностью преобразования постоянного напряжения, фильтруемого фильтром 42, в трехфазное напряжение с частотой f. Как правило, частота f находится в пределах от 45 Гц до 65 Гц. В данном случае частота f равна 50 Гц. Каждая из фаз получаемого трехфазного напряжения выдается через соответствующий контакт 58-60.
1
2
3
1
2
3
Выходной синусоидальный фильтр позволяет фильтровать трехфазное напряжение, выдаваемое инвертором 44 на контакты 58-60. Например, выходной синусоидальный фильтр содержит три катушки индуктивности L, L и L, соединенные одними концами, соответственно, с контактами 58-60, а другими концами с соответствующими выходными контактами 62-64 фильтра 46. Обычно катушки индуктивности L, L, L интегрированы в виде катушек паразитной индуктивности трансформатора.
Контакты 62, 63 и 64 соединены с соответствующими концами трех первичных обмоток 70-72 трансформатора 48. Первичные обмотки 70-72 соединены треугольником и образуют комплект первичных обмоток.
Эти первичные обмотки 70-72 соединены путем электромагнитной связи с тремя вторичными обмотками 74-76, образующими комплект вторичных обмоток, соединенных звездой. Концы обмоток 74-76, не соединенные с центральным мостом звезды, соединены, соответственно, с контактами 78 и 80 выхода трехфазного среднего напряжения. Центральный мост соединения звездой вторичных обмоток соединен с выходным контактом 82.
1
2
3
Конденсаторы C, C и C соединены, соответственно, между контактами 78 и 79, 79 и 80 и 78 и 80.
Соотношение числа витков между первичными и вторичными обмотками выбирают таким образом, чтобы выдавать трехфазное среднее напряжение на контактах 78-80. Контакты 78-80 и контакт 82 соединены, соответственно, с проводами 14-16 и 18. Таким образом, трансформатор 48 позволяет подавать питание среднего напряжения на вспомогательную сеть 12.
Трансформатор 48 содержит также три третичных обмотки 84-86, соединенные электромагнитной связью с первичными обмотками 70-72 и с вторичными обмотками 74-76 и образующие комплект третичных обмоток. Конец третичных обмоток соединен с центральным мостом таким образом, чтобы образовать соединение звездой. Другой конец этих третичных обмоток соединен с выходными контактами, соответственно, 88-90.
Преобразователь 2 содержит также зарядное устройство 100. Это зарядное устройство 100 содержит три входных контакта 102-104, соединенные соответственно с контактами 88-90.
Зарядное устройство 100 содержит также два контакта 106 и 108, соединенные, соответственно, с контактами аккумуляторного устройства 32, электрически соединенными с проводами 28 и 30.
В данном варианте выполнения к выходу зарядного устройства могут быть также параллельно подсоединены не показанные вспомогательные потребители.
Зарядный ток батареи 32 измеряют при помощи датчика тока.
В данном случае зарядное устройство 100 является реверсивным, то есть оно может передавать электрическую энергию от входных контактов 102-104 к выходным контактам 106 и 108 для подзарядки устройства 32, а также в обратном направлении для питания резервных вспомогательных потребителей от устройства 32.
H
B
Для этого зарядное устройство 100 содержит реверсивный выпрямитель 110, содержащий три плеча 112-114, параллельно соединенные между контактами 106 и 108. Каждое плечо содержит два управляемых выключателя I и I, последовательно соединенных при помощи центрального моста. Центральные точки ветвей 112-114 обозначены, соответственно, позициями 116-118. Центральные точки 116-118 соединены, соответственно, с контактами 102-104.
H
B
Выключатели I и I являются двунаправленными выключателями по току, когда они замкнуты, и однонаправленными по току, когда они разомкнуты.
B
Каждый выключатель I содержит:
- силовой транзистор 120, коллектор которого электрически соединен с контактом 106, а эмиттер - с центральной точкой, и
- диод 122, параллельно соединенный между коллектором и эмиттером, при этом его катод соединен с контактом 106, а анод - с той же центральной точкой.
H
Каждый транзистор I содержит:
- силовой транзистор 124, коллектор которого соединен с центральной точкой и эмиттер которого соединен с контактом 108, и
- диод 126, соединенный параллельно между коллектором и эмиттером транзистора 124, при этом катод диода 126 соединен с той же центральной точкой, а анод - с контактом 108.
H
B
Для упрощения на фиг.1 позиции 120, 122, 124 и 126 указаны только один раз для выключателей I и I плеча 112.
Силовыми называют транзисторы, которые могут коммутировать токи более 50 А. Например, транзисторы 120 и 124 являются транзисторами IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором).
Каждый из этих транзисторов 120 и 124 выполнен с возможностью коммутации из непропускного состояния в пропускное состояние и наоборот в ответ на команду, поступающую на его затвор.
Для этого затворы каждого из этих транзисторов соединены с блоком 130 управления выпрямителем 110 через электрические соединения, схематично показанные двойной стрелкой 132.
R
S
T
RT
RS
RT
RS
Блок 130 управления или центральный блок выполнен с возможностью управления выпрямителем 110, а также синхронно инвертором 44. Блок 130 управления обеспечивает работу выпрямителя в качестве собственно выпрямителя в нормальном режиме и альтернативно в качестве инвертора в аварийном режиме. Для этого центральный блок 130 соединен с датчиками 134-136 тока, выполненными с возможностью измерения силы токов I, I, I, проходящих, соответственно, через контакты 104-102. Блок 130 соединен также с двумя датчиками 138, 140 напряжений V и V соответственно. Напряжения V и V являются напряжениями, соответственно, между контактами 104 и 102, 104 и 103.
Блок 130 более подробно описан со ссылками на фиг.2.
dcsg
qcsg
dcsg
qcsg
Блок 130 соединен с запоминающим устройством 142, содержащим в нормальном режиме заданные значения I активной мощности и I реактивной мощности. В нормальном режиме заданное значение I является отрицательным. Например, это же относится к заданному значению I.
В аварийном режиме не происходит регулирования активной и реактивной мощности. В аварийном режиме блок 130 регулирует напряжение и частоту шины 12 по заранее определенным значениям, введенным в запоминающее устройство 142 (например: 250 В и 35 Гц). Более подробно роль этих заданных значений будет показана ниже.
Зарядное устройство 100 содержит также конденсатор 150, подсоединенный между контактами 106 и 108. Емкость этого конденсатора 512 ниже 50 мФ. В частности, емкость конденсатора 150 выбирают таким образом, чтобы колебание напряжения на его контактах было порядка 1%.
d
q
R
S
T
RS
RT
Как показано на фиг.2, блок 130 содержит демодулятор 160, выполненный с возможностью устанавливать силу активного тока I и силу реактивного тока I на основании измерений токов I, I и I, производимых датчиками 134-136, и измерений напряжений V и V, производимых датчиками 138 и 140 в случае работы в нормальном режиме.
Активная мощность РА определяется следующим отношением:
где:
I - эффективное значение трехфазного тока,
U - эффективное значение трехфазного напряжения,
φ - значение угла сдвига фаз между током и напряжением.
Аналогично определяют реактивную мощность при помощи следующего отношения:
d
q
Активный I и реактивный I токи равны соответственно Icosφ Isinφ.
d
q
В транспортном средстве 2 эффективное значение U по существу является константой, поэтому значения силы токов I и I можно считать самостоятельно характеризующими активную и реактивную мощности.
d
q
dcsg
dcsg
d
d
αβcsg
Демодулятор 160 направляет токи I и I на отрицательные входы вычитателей 162 и 164 соответственно. Положительный вход вычитателя 162 выполнен с возможностью приема заданного значения I. Выход вычитателя 162 соединен с регулятором 166 для передачи на него разности между заданным значением I и измеренной силой тока I. Регулятор 166 выполнен с возможностью вычисления на основании этой разности абсциссы V вектора U генерируемого напряжения.
qcsg
qcsg
q
q
αβcsg
Положительный вход вычитателя 164 выполнен с возможностью приема заданного значения I, хранящегося в запоминающем устройстве 142. Выход вычитателя 164 направляет в регулятор 168 разность между заданным значением I и измеренной силой тока I. На основании этой разности регулятор 168 может вычислить ординату V вектора U генерируемого напряжения.
αβm
Демодулятор 160 выполнен также с возможностью выдачи угла ρ, соответствующего углу между вектором U и осью α в системе координат αβ.
αβcsg
d
q
Блок 130 содержит конверсионное устройство 170, выполненное с возможностью вычисления модуля M и угла α вектора U на основании абсцисс и ординат V и V.
Вычитатель 172 позволяет вычислить разность ε между углом ρ и углом γ, выдаваемым модулятором 174 ширины импульсов.
s
Вычитатель 172 выполнен с возможностью направления в контур 176 синхронизации фаз (более известный под аббревиатурой PLL (ФАПЧ - система фазовой автоматической подстройки частоты)) разности ε, к которой добавляется значение угла α. На основании суммы угла α и разности ε контур 176 может генерировать заданное значение f частоты.
s
На основании модуля M и частоты f модулятор 174 может определять моменты, в которые необходимо коммутировать различные транзисторы, и управлять коммутацией этих транзисторов в определенные моменты. Для этого, например, модулятор 174 использует пересечения несущей с модулирующей. Частота несущей фиксирует частоту коммутации транзисторов.
Далее со ссылкой на фиг.3 и при помощи графика на фиг.4 следует более подробное описание работы транспортного средства 2.
Изначально предполагается, что транспортное средство 2 работает в нормальном режиме во время фазы 180. Во время этой фазы 180 транспортное средство 2 получает питание через пантограф 4 от контактной сети 6. Выключатель 50 в этом случае находится в открытом состоянии, тогда как на выключатель 52, служащий только для предварительной зарядки входного фильтра, подается команда на размыкание после зарядки фильтра. Первоначально на этапе 182 простые вспомогательные потребители электрически соединены с шиной 12, чтобы получать питание через нее.
После этого на этапе 184 инвертор 44 выдает на контактах 58-60 трехфазное напряжение, преобразуя постоянное напряжение между проводами 36 и 38.
На этапе 186 трансформатор 48 преобразует трехфазное напряжение, произведенное инвертором 44, в трехфазное среднее напряжение, подаваемое на вспомогательную шину 12.
На этапе 188 различные вспомогательные потребители, соединенные с шиной 12, питаются энергией, снимаемой пантографом 4. Таким образом, потребители 20 и 22 получают питание и работают.
Параллельно на этапе 190 трансформатор 48 выдает также трехфазное напряжение на входные контакты 102-104 зарядного устройства 100.
На этапе 192 при помощи трехфазного напряжения, присутствующего на входных контактах 102-104, зарядное устройство 100 заряжает устройство 32. Для этого зарядное устройство 100 выпрямляет трехфазное напряжение, присутствующее на контактах 102-104, чтобы получить выпрямленное постоянное напряжение между контактами 106 и 108, что позволяет зарядить устройство 32.
RS
RT
R
S
T
В частности, во время операции 194 датчики 134-136, 138 и 140 измеряют значения напряжения V, V и силы токов I, I и I.
dcsg
qcsg
qcsg
После этого во время операции 196 регулятор 130 вычисляет заданные значения I и I, соответствующие нормальному режиму таким образом, чтобы соблюдать правило зарядки батареи. Эти значения являются отрицательными, что соответствует передаче энергии через реверсивный выпрямитель 110 от входных контактов 102-104 к выходным контактам 106 и 108. В данном случае заданное значение I является нулевым, чтобы не потреблять реактивную мощность.
a
b
αβm
a
b
Во время операции 198 на основании измерений, произведенных во время этапа 194, демодулятор 160 определяет координаты V и V вектора U напряжения в системе координат αβ. Для этого используют трансформанту Конкордиа. В данном случае V и V определяют при помощи следующих отношений:
αβm
αβm
Вектор U представлен в системе координат αβ на фиг.4. Этот вектор U образует угол ρ с осью α.
αβm
αβm
a
b
a
b
На фиг.4 показан также вектор I, соответствующий измеренному трехфазному току, выраженному в системе координат αβ. Координаты этого вектора I соответственно обозначены I и I. Эти координаты вычисляют, например, снова при помощи трансформанты Конкордиа. Например, координаты I и I определяют при помощи следующего отношения:
a
b
Например, значение угла ρ устанавливают на основании координат V и V.
d
q
После этого во время этой же операции 198 демодулятор 160 устанавливает измеренный активный ток I и измеренный реактивный ток I при помощи следующих отношений:
d
q
Затем во время операции 200 вычитатели 162 и 164 вычисляют разности ΔI и ΔI. при помощи следующих отношений:
d
q
αβcsg
d
q
d
d
αβcsg
d
После этого вычисляют координаты V и V вектора U заданного значения напряжения, позволяющие аннулировать разности ΔI и ΔI. Для этого во время операции 202 на основании разности ΔI регулятор 166 вычисляет координату V вектора U. Регулятор 166 является, например, регулятором РI (ПИ - пропорционально интегральный) для стабилизации регулирования активной мощности. Например, значение координаты V вычисляют при помощи следующего отношения:
где:
pd
id
K и K являются пропорциональными и интегральными константами регулятора PI.
q
q
q
Аналогично во время операции 204 регулятор 168 вычисляет значение координаты V на основании разности ΔI. Во время операции 204 координату V вычисляют, например, при помощи следующего отношения:
pq
iq
pd
id
Константы K и K отношения (9) не обязательно являются теми же значениями, что и константы K и K отношения (8).
αβcsg
d
q
Во время операции 206 модуль 170 вычисляет угол α и модуль M вектора U в системе координат αβ на основании координат V и V.
Модуль M передается непосредственно на модулятор 174, тогда как угол α передается на вычитатель 172.
Во время операции 208 вычитатель 172 вычисляет разность ε при помощи следующего отношения:
αβg
где γ является углом трехфазного напряжения U, соответствующим моментам коммутации, определенным модулятором 174, по отношению к оси α системы координат αβ.
Угол γ выдается модулятором 174 в цифровом виде, а ε является разностью между измеренной фазой трехфазного напряжения и фазой трехфазного напряжения, производимой или поглощаемой выпрямителем 110 в этот же момент.
Чтобы синхронизировать выпрямитель 110 по измеренному трехфазному напряжению, эта разность ε должна быть нулевой.
s
dcsg
qcsg
s
Вычитатель 172 суммирует также с этой разностью ε значение угла α, выдаваемое модулем 170. Результат этого сложения передается на контур 176, который во время операции 209 вычисляет частоту f, которая позволяет одновременно аннулировать разность ε и достичь заданных значений I и I активной и реактивной мощности. Например, контур 176 вычисляет частоту f при помощи следующего отношения:
где:
iPLL
e=α+ε,
pPLL
iPLL
k и k являются пропорциональными и интегральными константами регулирования PI контура 176.
s
После этого во время операции 210 модулятор 174 определяет моменты коммутации транзисторов 120 и 124 таким образом, чтобы получить трехфазное напряжение с частотой f, эффективное значение которого равно модулю M. Модулятор 174 управляет также коммутацией транзисторов 120 и 124 в определенные моменты.
Операции 194 и 210 постоянно возобновляются таким образом, чтобы батарея 32 заряжалась постоянным током, получаемым в результате выпрямления переменного тока.
Комплект транзисторов 120-124 продолжает производить коммутации на этапе 214, обеспечивая нулевой ток в батарее и питание всех вспомогательных потребителей, параллельно соединенных с батареей.
Если в результате аварии во время эксплуатации контактная линия 6 перестает получать высокое напряжение, преобразователь 10 перестает работать в нормальном режиме. Фаза 180 заканчивается, и происходит переход к фазе 216 работы в аварийном режиме.
Фаза 216 идентична фазе 180 за исключением того, что этап 182 заменяется этапом 218, а этапы 184 и 214 опускаются. Во время этапа 218 происходит отключение простых вспомогательных потребителей от вспомогательной шины 12. Например, на этапе 218 контактор 24 размыкается, электрически изолируя потребитель 20 от вспомогательной цепи 12. Зато все резервные вспомогательные потребители остаются электрически соединенными с шиной 12. На этапе 218 выключатели 50 и 52 тоже разомкнуты.
Для упрощения на фиг.3 этапы 186-192, которые выполняются после этапа 218, показаны пунктирной линией.
Во время этапа 192 передача энергии происходит не от контактов 102-104 к контактам 106-108, а в обратном направлении, что позволяет питать шину 12 за счет энергии, накопленной в устройстве 32. Таким образом, на этапе 186 потребитель 22 питается от устройства 32 и через электромагнитную связь между вторичными и третичными обмотками таким образом, чтобы он продолжал работать, даже если транспортное средство 2 больше не получает питания через контактную линию 6.
На фиг.5 показана модель силовой части зарядного устройства 100. На этой модели блок R, L соответствует последовательно соединенным резистору и катушке индуктивности. Эта катушка индуктивности и этот резистор включены в третичные обмотки 84-86 трансформатора 48 и поэтому на фиг.1 не показаны.
На фиг.6-15 показаны результаты моделирований, произведенных при помощи модели, показанной на фиг.5. Моделирования были произведены со следующими цифровыми значениями:
- VRS=45 В переменного напряжения,
- частота сети переменного тока равна 50 Гц,
- эффективное значение трехфазного тока равно 321,68 А,
- индуктивность L равна 15 мГн,
- сопротивление R равно 236 мОм,
- выходная емкость C зарядного устройства равна 1,1 мФ,
- постоянное значение Vcc между контактами 106 и 108 равно 120 В,
- постоянный ток Icc зарядки устройства 32 равен 208,33 А,
- электрическая мощность, выдаваемая между контактами 106 и 108, равна 25 кВт,
- угол сдвига фазы φ между трехфазным током и трехфазным напряжением принимают равным 0.
Показанные на фиг.6-9 результаты получены, когда частота несущей модулирования ширины импульсов, используемая модулятором 174, равнялась 1050 Гц.
На фиг.6 показан график изменения тока, проходящего через один из входных контактов 102-104, по времени, когда производят подзарядку устройства 32. Максимальная пиковая сила тока равна 841 А.
На фиг.7 показан спектр кривой, показанной на фиг.6. Здесь можно увидеть, что основная частота этой фазы равна 50 Гц. Ближайшая гармоника основной частоты находится в непосредственной близости от 1050 Гц (частота коммутации). Кроме того, амплитуда основной частоты в по меньшей мере четыре раза превышает амплитуду первой гармоники. В данном случае амплитуда основной частоты равна 454 А.
На фиг.8 показана зависимость выходного напряжения зарядного устройства 100 по времени, когда происходит подзарядка устройства 32. Максимальная пиковая амплитуда равна 43,7 В, что соответствует степени колебания ниже 37%.
На фиг.9 показан спектр выходного напряжения зарядного устройства, показанного на фиг.8, которое содержит постоянную составляющую. Первая существенная гармоника 50 Гц отбрасывается за пределы значения 1050 Гц. Амплитуда постоянной составляющей, не показанной на фиг.9, также в по меньшей мере четыре раза превышает амплитуду первой гармоники.
При всех прочих равных параметрах результаты, показанные на фиг.10-13, получены, когда частота несущей модуляции ширины импульсов равна 3450 Гц.
На фиг.10 показано изменение в зависимости от времени для силы тока, проходящего через один из контактов 102-104. Максимальное пиковое значение силы тока равно 575 А.
На фиг.11 показан спектр тока, показанного на фиг.10. Шкала, используемая для фиг.11, та же, что и на фиг.7. На фиг.11 основная частота находится за пределами 3450 Гц. Амплитуда основной частоты, по меньшей мере, в десять раз превышает амплитуду первой гармоники.
На фиг.12 показано выпрямленное постоянное напряжение, производимое зарядным устройством 100 при зарядке устройства 32. Наибольшая пиковая амплитуда в данном случае составляет 11,9 В, что соответствует степени колебаний ниже 10%.
На фиг.13 показан спектр выпрямленного постоянного напряжения, показанного на фиг.12, которое содержит не показанную постоянную составляющую в 0 Гц. Первая существенная гармоника в 50 Гц отодвинута за пределы 3450 Гц основной частоты. Кроме того, амплитуда постоянной составляющей в по меньшей мере пять раз превышает амплитуду первой гармоники.
При всех прочих равных параметрах результаты, показанные на фиг.14 и 15, получены при частоте 15150 Гц для несущей волны модуляции ширины импульсов. На фиг.14 показана сила тока, проходящего через один из контактов 102-104. Максимальная пиковая сила тока составляет 484,2 А.
В спектре тока фазы, показанного на фиг.14, первая гармоника отодвинута за пределы 15150 Гц основной частоты.
На фиг.15 показана внешняя огибающая колебаний выпрямленного постоянного напряжения, выдаваемого зарядным устройством 100, когда оно производит зарядку устройства 32. Максимальная пиковая амплитуда равна 2,55 В, что соответствует степени колебаний ниже 3%.
В спектре выпрямленного постоянного напряжения первая гармоника отодвинута за пределы 15150 Гц основной частоты. Как можно отметить, чем выше частота несущей модуляции ширины импульсов, то есть чем выше частота коммутации, тем дальше первая гармоника отбрасывается от основной частоты. Таким образом, с повышением частоты коммутации могут снижаться значения дисперсионной индуктивности трансформатора и емкости конденсатора 152, что выражается в уменьшении габаритов этих элементов и, в частности, фильтра 150.
Возможны также многие другие варианты выполнения.
Например, зарядное устройство 100 может быть соединено с проводами 14, 15 и 16 через трехфазный трансформатор, независимый от трансформатора 48. В этом случае третичные обмотки трансформатора 48 можно исключить.
Описанное управление зарядного устройства 110 батареи является в данном случае векторным управлением. Вместе с тем, вместо векторного управления можно использовать скалярное управление, когда частота коммутации транзисторов остается в по меньшей мере двадцать раз выше основной частоты трехфазного напряжения.
На фиг.1 показан только один вспомогательный преобразователь в транспортном средстве 2. Однако обычно железнодорожные транспортные средства содержат по меньшей мере один второй вспомогательный преобразователь, например, идентичный преобразователю 10.
Как вариант, резервные вспомогательные потребители могут питаться через шину постоянного низкого напряжения, соединенную с контактами устройства 32, а не через трехфазную вспомогательную шину 12.
Кроме того, набор конденсаторов C1, C2, C3 можно разделить на две части, убрав одну часть, чтобы иметь возможность подачи реактивной мощности при нормальной работе и компенсировать намагничивающий ток трансформатора в аварийном режиме.
Также предварительную зарядку конденсатора можно производить от батареи (исключение устройства 52, 54 предварительной зарядки).
Наконец, если задача состоит только в питании резервных вспомогательных потребителей посредством того же устройства, которое используют для зарядки устройства 32, то нет необходимости, чтобы частота коммутации в по меньшей мере двадцать раз превышала основную частоту трехфазного напряжения. В этом случае габариты и масса фильтра 150 могут не уменьшаться, но зато получают преимущество использования только одного единственного реверсивного выпрямителя для обмена электрической энергией в обоих направлениях между вспомогательным потребителем и устройством 32.