ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ПРИВОДНЫХ УСТРОЙСТВ РЕЛЬСОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
ELECTRIC DEVICE OF POWER SUPPLY FOR DRIVING UNITS OF RAIL VEHICLES

Изобретение относится к электрическому устройству энергообеспечения для приводных устройств рельсовых транспортных средств и способу эксплуатации приводного устройства рельсового транспортного средства.
Для энергообеспечения приводных устройств рельсовых транспортных средств сети электроснабжения в зависимости от страны и региона эксплуатируются разным образом. Например, в Германии реализовано электроснабжение переменным напряжением при частоте 16,7 Гц и номинальном напряжении 15 кВ. Другая система эксплуатируется при переменном напряжении с частотой 50 Гц и номинальном напряжении 25 кВ. Существуют также системы постоянного напряжения, прежде всего при номинальном напряжении 3 кВ и 1,5 кВ.
При эксплуатации сетей электроснабжения переменного напряжения принято сначала преобразовывать сравнительно высокое переменное напряжение сети электроснабжения посредством входного трансформатора рельсового транспортного средства до более низкого значения переменного напряжения, выпрямлять преобразованное переменное напряжение, и подавать в так называемый промежуточный контур постоянного напряжения, к которому подключены инвертор для приведения в действие тягового двигателя или нескольких тяговых двигателей. Однако в этом решении недостатком являются размеры и вес входного трансформатора, прежде всего при частоте 16,7 Гц, но также еще и при частоте 50 Гц.
Когда рельсовое транспортное средство должно эксплуатироваться в сети электроснабжения постоянного тока, промежуточный контур постоянного напряжения подключается к сети электроснабжения напрямую через катушку индуктивности. Катушка индуктивности служит в качестве пассивного фильтра для предотвращения или подавления помех, которые могут передаваться из сети электроснабжения на рельсы. По причине сильных колебаний напряжения сети электроснабжения постоянного напряжения, которые могут возникать, прежде всего, при эксплуатации нескольких рельсовых транспортных средств на одном участке сети, необходимы большие значения индуктивности для входной катушки индуктивности. Поскольку через входную катушку индуктивности протекают также большие электрические токи, то в случае входной катушки индуктивности речь идет обычно об очень большой и поэтому также тяжелой детали.
Еще одна функция входной катушки индуктивности заключается в том, чтобы уменьшать обратные влияния эксплуатации тягового инвертора на сеть электроснабжения постоянного напряжения.
Уже были предложены активные фильтры для эксплуатации сетей электроснабжения постоянного напряжения, которые вырабатывают переменные напряжения и, тем самым, переменные токи, которые компенсируют вырабатываемые при эксплуатации тягового инвертора мешающие токи. Пример активного фильтра раскрывают Cascone, V. и др. в "Design of active filters for dynamic damping of harmonic currents generated by asynchronous drives in modern high power locomotives", Power Electronics Specialists Conference, 1992. За счет использования активных фильтров могут быть уменьшены размеры и, тем самым, вес входной катушки индуктивности.
Для облегчения движения в различных железнодорожных сетях, те же самые рельсовые транспортные средства (например, локомотивы или тягачи) частично оснащаются для работы с разными электрическими сетями снабжения. Чтобы сэкономить вес, например, одна обмотка входного трансформатора используется при этом в качестве входной катушки индуктивности, когда транспортное средство эксплуатируется в сети постоянного напряжения. За счет этого, правда, предотвращается увеличение веса по причине дополнительной входной катушки индуктивности. Однако очень тяжелый и большой входной трансформатор по-прежнему необходим. Использование активного фильтра не уменьшает вес.
Задачей настоящего изобретение является разработка электрического устройства энергообеспечения для тяговых устройств рельсовых транспортных средств, которое разрешает эксплуатацию с сетями постоянного и переменного напряжения и может быть реализовано с небольшим весом. Еще одной задачей настоящего изобретения является предложение способа эксплуатации тягового устройства рельсового транспортного средства.
Основная идея настоящего изобретения заключается в том, чтобы выпрямительное устройство для работы с сетями переменного напряжения во время работы с сетями постоянного напряжения использовать как активный фильтр. Это выпрямительное устройство имеет, прежде всего, по меньшей мере один первый выпрямитель, который подключен к сети переменного тока без гальванической развязки. Выработанное первым выпрямителем постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение с более высокой частотой (прежде всего, в области средних частот от 8 до 20 кГц), переменное напряжение подводится к первичной стороне трансформатора, и приложенное к вторичной стороне вторичное переменное напряжение снова выпрямляется вторым выпрямителем и прикладывается к промежуточному контуру постоянного напряжения, от которого обычным образом питается по меньшей мере один тяговый инвертор для тягового двигателя или тяговых двигателей рельсового транспортного средства.
Принцип и варианты подобного расположения выпрямителей для работы с сетями переменного напряжения описаны, например, в DE 19630284 A1. Один вариант заключается, прежде всего, в том, что имеются несколько модулей, которые имеют соответственно расположенный со стороны сети, первый выпрямитель, по меньшей мере один инвертор, по меньшей мере один трансформатор и по меньшей мере один второй выпрямитель. При этом расположенные со стороны сети, первые выпрямители включены последовательно, в то время как подключенные через промежуточный контур постоянного напряжения по меньшей мере к одному тягового инвертору вторые выпрямители включены параллельно. Благодаря этому расположенные со стороны сети, первые выпрямители могут быть подключены к высокому переменному напряжению сети электроснабжения и, тем не менее, поставляют требуемое более низкое постоянное напряжение для промежуточного контура постоянного напряжения.
Существенным преимуществом подобного известного устройства энергообеспечения является существенно меньший вес. Не требуется никакой трансформатор для низкой частоты, с которым эксплуатируются сети переменного напряжения. Более того, трансформатор или трансформаторы эксплуатируются при существенно более высокой частоте, которая, предпочтительно, лежит в диапазоне средних частот порядка 10 кГц. Подобные трансформаторы могут изготавливаться со значительно меньшими объемами и, тем самым, значительно меньшим весом. Дополнительный вес для различных выпрямителей и инверторов является по сравнению с достигнутой экономией веса незначительным.
Если теперь выпрямитель со стороны сети или выпрямители со стороны сети устройства при эксплуатации рельсового транспортного средства с сетью постоянного тока используются в качестве активного фильтра, то, кроме того, входной фильтр (специально обозначенный выше как первая входная катушка индуктивности) соединительной линии постоянного напряжения, который соединяет промежуточный контур постоянного напряжения с сетью постоянного напряжения, может быть реализован как существенно меньшая и, тем самым, более легкая электрическая деталь или набор деталей. Кроме того, не требуется никакого дополнительного устройства для реализации активного фильтра.
Если имеется несколько упомянутых модулей, так что несколько расположенных со стороны сети, первых выпрямителей включены последовательно, активный фильтр предоставляет особенно выгодные возможности выработки переменных напряжений. В принципе, могут вырабатываться больше разных уровней напряжения, чем при одном единственном выпрямителе со стороны сети. Следует отметить, что выпрямитель со стороны сети при работе в качестве активного фильтра может эксплуатироваться наоборот как инвертор.
Также активный фильтр может вырабатывать напряжения при более высоких частотах и/или при меньших потерях на переключение, чем это бы имело место при использовании одного отдельного выпрямителя.
Предпочтительно, для расположенного со стороны сети, первого выпрямителя или выпрямителей используются полупроводниковые переключатели, прежде всего IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors - биполярные транзисторы с изолированным затвором). В случае выпрямителя или выпрямителей речь может идти о так называемом четырехквадрантном преобразователе. Также и расположенные со стороны промежуточного контура вторые выпрямители могут быть четырехквадрантными преобразователями. В любом случае является предпочтительным, что инвертор или инверторы и выпрямитель или выпрямители, которые гальванически разделены друг от друга трансформатором и подключены к трансформатору или трансформаторам, также являются преобразователями, которые работают благодаря переключению полупроводниковых переключателей (прежде всего, IGBT).
Прежде всего, предлагается следующее: электрическое устройство энергообеспечения для приводных устройств рельсовых транспортных средств, причем устройство энергообеспечения имеет:
- первый электрический контактный вывод для подключения устройства к электрической сети энергообеспечения,
- второй электрический контактный вывод для подключения устройства к промежуточному контуру постоянного напряжения, к которому, с другой стороны, является подключаемым по меньшей мере один тяговый инвертор для приведения в действие по меньшей мере одного тягового двигателя,
- выпрямительное устройство для эксплуатации рельсового транспортного средства с сетью переменного напряжения, причем выпрямительное устройство через первый фильтр соединено с первым электрическим контактным выводом и имеет по меньшей мере один модуль, в котором первый выпрямитель через инвертор и трансформатор соединен со вторым выпрямителем, причем первый выпрямитель на своей стороне переменного напряжения через первый фильтр соединен с первым электрическим контактным выводом, причем второй выпрямитель на своей стороне постоянного напряжения соединен со вторым электрическим контактным выводом и причем в случае нескольких модулей контактные выводы переменного напряжения первых выпрямителей включены последовательно, однако контактные выводы постоянного напряжения вторых выпрямителей включены параллельно,
- электрическое соединение для эксплуатации рельсового транспортного средства с сетью постоянного напряжения, причем электрическое соединение имеет второй фильтр и причем электрическое соединение соединяет первый электрический контактный вывод со вторым электрическим контактным выводом,
- управляющее устройство для управления работой первого выпрямителя или первых выпрямителей, когда рельсовое транспортное средство эксплуатируется с сетью постоянного напряжения, причем управляющее устройство выполнено так, чтобы путем регулирования момента переключения полупроводниковых переключателей первого выпрямителя или первых выпрямителей на первом электрическом контактном выводе вырабатывать переменное напряжение, которое компенсирует или уменьшает до допустимой величины переменный электрический ток, который является мешающим током, который вследствие работы приводного устройства рельсового транспортного средства течет через электрическое соединение от промежуточного контура постоянного напряжения.
Далее, предлагается способ эксплуатации приводного устройства рельсового транспортного средства, причем
- при эксплуатации рельсового транспортного средства с сетью переменного тока энергия из сети переменного тока через выпрямительное устройство подают в промежуточный контур постоянного напряжения, к которому подключен по меньшей мере один тяговый инвертор для приведения в действие по меньшей мере одного тягового двигателя, причем энергию из сети переменного тока вводят через первый фильтр в выпрямительное устройство и через по меньшей мере один модуль выпрямительного устройства передают в промежуточный контур постоянного напряжения, причем энергию в каждом модуле передают от первого выпрямителя через инвертор и трансформатор ко второму выпрямителю, который подает энергию в промежуточный контур постоянного напряжения, причем в случае нескольких модулей контактные выводы переменного напряжения первых выпрямителей включены последовательно, а контактные выводы постоянного напряжения вторых выпрямителей включены параллельно,
- при эксплуатации рельсового транспортного средства с сетью постоянного напряжения энергию из сети постоянного напряжения через электрическое соединение подают в промежуточный контур постоянного напряжения, причем электрическое соединение имеет второй фильтр, и причем путем управления моментами включения полупроводниковых переключателей первого выпрямителя или первых выпрямителей вырабатывают переменное напряжение, которое компенсирует или уменьшает до допустимой величины переменный электрический ток, который является мешающим током, который вследствие работы приводного устройства рельсового транспортного средства течет через электрическое соединение от промежуточного контура постоянного напряжения. Прежде всего, могут иметься несколько промежуточных контуров постоянного напряжения, к которым могут подключаться или могут быть подключены по меньшей мере один тяговый инвертор.
Соответственно, как описано в DE 19630284 A1, под формулировкой, что «энергия в каждом модуле переносится от первого выпрямителя через инвертор и трансформатор ко второму выпрямителю», следует понимать, что в модуле имеются более чем один инвертор, и/или более чем один трансформатор, и/или более чем один второй выпрямитель, и/или что разные модули совместно используют один инвертор, и/или один трансформатор, и/или один второй выпрямитель. Однако каждый модуль имеет один единственный первый выпрямитель.
В случае первого и/или второго фильтра речь идет о пассивном (не управляемом) фильтре, предпочтительно с фильтрующей катушкой индуктивности. Под фильтрующей катушкой индуктивности понимается катушка индуктивности, предусмотренная с целью уменьшения или удаления мешающих сигналов. Типичным образом, в качестве фильтрующей катушки индуктивности используется соответствующая катушка или система катушек. Фильтр может быть, если формулировать в более общем виде, системой пассивных (не управляемых) электрических компонентов, прежде всего по меньшей мере с одной фильтрующей катушкой индуктивности и/или одним электрическим компонентом, такими как по меньшей мере одним конденсатором и по меньшей мере одним сопротивлением.
Предпочтительно, модули реализованы одинаковым образом, то есть имеют одинаковые детали с одинаковым расположением. Однако это не является настоятельно необходимым. Прежде всего, чтобы сделать возможной эксплуатацию с сетями переменного напряжения с разным номинальным напряжением, модули могут при необходимости отключаться или подключаться. У отключенных модулей расположенный со стороны сети, первый выпрямитель больше не включен в последовательную схему выпрямителей разных модулей. Также при работе в качестве активных фильтров отдельные модули могут подключаться или отключаться.
S
S
S
При эксплуатации с сетью постоянного напряжения, прежде всего, мешающие сигналы относительно низкой частоты до, например, 5 кГц могут компенсироваться или, по меньшей мере, уменьшаться до допустимой величины посредством активного фильтра, то есть путем использования первого выпрямителя в качестве инвертора. Второй фильтр, который является частью электрического соединения между сетью постоянного напряжения и промежуточным контуром постоянного напряжения, может быть рассчитан в этом случае на фильтрование более высоких частот. Поэтому второй фильтр может быть изготовлен меньшим и более легким, чем в случае, в котором он должен компенсировать или уменьшать также и мешающие токи более низкой частоты. При числе модулей n (n является положительным целым числом более 1) активный фильтр может, прежде всего, вырабатывать переменный ток как компенсационный ток, который имеет частоту до n f/2. При этом f является частотой переключения выпрямителя со стороны сети, например, четырехквадрантного преобразователя. Второй фильтр, то есть пассивный фильтр, тогда рассчитан на частоту выше n f/2. Можно также у одного или нескольких деталей второго фильтра использовать для фильтрования так называемый поверхностный эффект (скин-эффект). Посредством поверхностного эффекта могут быть, прежде всего, отфильтрованы высокочастотные составляющие мешающего тока.
Если выпрямительное устройство имеет несколько модулей, управляющее устройство, предпочтительно, выполнено так, что для изменения электрического напряжения, которое необходимо для компенсации или уменьшения мешающего тока, выбирается первый выпрямитель (то есть один из расположенных со стороны сети, первых выпрямителей) или более чем один из первых выпрямителей. Управляющее устройство управляет одним или несколькими полупроводниковыми переключателями выбранного первого выпрямителя или первых выпрямителей, так что управляемый полупроводниковый переключатель или полупроводниковые переключатели переключаются, и так на стороне переменного напряжения первого выпрямителя возникает соответствующим образом измененное напряжение. Предпочтительно, выбор при этом делается в зависимости от тепловой нагрузки первого выпрямителя, причем нагрузка возникает вследствие потерь при переключении. Таким образом, не всегда - насколько вообще возможно для выработки требуемого напряжения - выбирается один и тот же или одни и те же первые выпрямители, а переключаются меньше всего термически нагруженные выпрямители.
Одна возможность реализации заключается в том, чтобы измерять температуру выпрямителя и для процесса переключения выбирать выпрямитель или выпрямители с самой низкой температурой. Разумеется, вообще может быть выбран лишь такой выпрямитель, который пригоден для задуманного процесса переключения, то есть находится в состоянии переключения, которое в результате переключения дает желаемый результат. Однако для предотвращения дополнительных затрат на датчики температуры и их оценку предлагается, что для изменения напряжения, предпочтительно, выбирается первый выпрямитель (или выбираются несколько первых выпрямителей), полупроводниковый переключатель которого (которых) не переключался при непосредственно предшествующих процессах переключения. Например, управляющее устройство может для каждого первого выпрямителя или для каждого полупроводникового переключателя первого выпрямителя сохранять время последнего выполненного процесса переключения. Имеется также другая возможность того, как может быть сохранена история процессов переключения. Например, при каждом выполненном процессе переключения в кольцевой памяти или стековой памяти может сохраняться однозначное обозначение соответствующего первого выпрямителя. При сохранении следующего процесса переключения положение сохраненных значений в кольцевой памяти или стековой памяти изменяется так, что сохраненные значения остаются в порядке их сохранения, однако последнее сохраненное значение всегда занимает последнюю позицию. Таким образом, всегда имеется первое сохраненное значение, которое было сохранено прежде всего. Если теперь требуется процесс переключения, то устройство управления проверяет, соответствует ли полупроводниковый переключатель или выпрямитель, который принимается в расчет для процесса переключения, первому месту в ячейке памяти. Альтернативно, сначала может быть определен выпрямитель или полупроводниковый переключатель, который соответствует сохраненному в первой ячейке памяти значению. Если этот полупроводниковый переключатель или выпрямитель пригоден для выработки желаемого измененного напряжения, то он переключается. В противном случае можно обратиться к следующей ячейке памяти в последовательности ячеек памяти и т.д.
Трансформатор, который имеется в каждом модуле, выполняет функцию гальванического разделения, как это требуется при работе с сетями переменного напряжения. Наряду с названными деталями, которые используются в модуле, модуль может содержать и другие детали, прежде всего конденсаторы и/или катушки индуктивности. Прежде всего, один или несколько конденсаторов могут быть включены между обоими потенциалами постоянного тока на стороне постоянного напряжения первого выпрямителя. Это сглаживает постоянное напряжение и при работе в качестве активного фильтра может быть использовано для накопления энергии, которая кратковременно требуется для выработки компенсационного переменного тока на стороне переменного напряжения первого выпрямителя. Далее, по меньшей мере, в части соединительных линий между инвертором одного модуля и трансформатором, а также между вторым выпрямителем и трансформатором, может быть предусмотрен конденсатор (например, один или несколько конденсаторов). Эти конденсаторы могут быть таким образом согласованы с другими электрическими свойствами работающей на переменном напряжении части модуля, и выпрямитель и инвертор могут эксплуатироваться так, что частота переменного напряжения на трансформаторе является резонансной частотой работающей на переменном напряжении части. Благодаря этому уменьшаются потери при передаче энергии через трансформатор. Также при резонансе инвертор и выпрямитель могут эксплуатироваться особенно эффективно, то есть с малыми потерями на переключение.
Упомянутая допустимая мера, в которой уменьшается мешающий ток, задается действующими для сетей электроснабжения и эксплуатации рельсовых транспортных средств с сетями электроснабжения предписаниями. Прежде всего, могут быть заданы граничные значения для амплитуд тока, причем граничные значения являются зависимыми от частоты и относятся к определенной частоте. При этом также возможно, что только за счет комбинированного действия второго фильтра и активного фильтра может соблюдаться допустимая мера, то есть не будет превышено допустимое значение.
При эксплуатации с сетями переменного тока является обычным предусматривать включенные между линиями постоянного напряжения устройства энергоснабжения так называемые отсасывающие контуры с катушкой индуктивности и подключенным последовательно конденсатором. Отсасывающий контур может находиться в области промежуточного контура постоянного напряжения или в работающей на постоянном напряжении части одного или нескольких модулей выпрямительного устройства. При эксплуатации с сетью постоянного напряжения катушка индуктивности может быть использована как второй фильтр (или деталь второго фильтра) в электрическом соединении между вторичным контуром постоянного напряжения. Также и конденсатор может быть использован как сглаживающий конденсатор или накопитель энергии для активного фильтра. Для того чтобы иметь возможность использовать детали для различных целей, могут быть предусмотрены соответствующие переключатели, которые переключаются при переключении между эксплуатацией с сетью переменного напряжения и эксплуатацией с сетью постоянного напряжения, и наоборот.
Теперь примеры осуществления изобретения будут описаны со ссылками на прилагаемые чертежи. На отдельных чертежах показаны:
фиг.1 - электрическая принципиальная схема устройства энергообеспечения для рельсового транспортного средства, причем устройство подключено к сети энергоснабжения и к промежуточному контуру постоянного тока с подключенным к нему тяговым вентильным преобразователем,
фиг.2 - детали электрической принципиальной схемы модуля, который является частью показанного на фиг.1 устройства энергообеспечения, и
фиг 3 - управляющая структура для управления выпрямителем со стороны сети устройства энергообеспечения согласно фиг.1 во время эксплуатации с сетью постоянного напряжения.
Показанное на фиг.1 устройство энергообеспечения через токоприемник 1 подключено к электрической сети 10 энергообеспечения. При этом сеть энергообеспечения может быть сетью постоянного напряжения или сетью переменного напряжения. Для эксплуатации с цепью постоянного напряжения токоприемник 1 через катушку 3 индуктивности и электрическое соединение 5 соединен с первым потенциалом 7 промежуточного контура ZK постоянного напряжения. Другой потенциал 8 промежуточного контура ZK постоянного напряжения по меньшей мере через одно колесо 9 рельсового транспортного средства электрически соединен с не показанным на фиг.1 рельсом. Между потенциалами 7, 8 промежуточного контура ZK постоянного напряжения включен конденсатор 14. Он служит для сглаживания колебаний напряжения и в качестве временного накопителя энергии. Другие возможные детали устройства переключения, такие как, например, отсасывающий контур с включенными последовательно конденсатором и катушкой индуктивности между потенциалами 7, 8, на фиг.1 не показаны.
К промежуточному контуру ZK постоянного напряжения подключен тяговый инвертор 13, который преобразует постоянное напряжение и обеспечивает электрической энергией тяговый двигатель 12. Альтернативно, к одному и тому же промежуточному контуру постоянного тока могут быть подключены несколько тяговых инверторов и/или один тяговый инвертор может обеспечивать энергией более чем один тяговый двигатель.
1
1
2
2
3
3
4
4
При эксплуатации с сетью переменного тока токоприемник 1 через фильтр-катушку 2 индуктивности соединен с первым электрическим контактным выводом 191 модуля M. Через второй электрический контактный вывод 201 модуль М соединен с первым электрическим контактным выводом 192 второго модуля М. Второй электрический контактный вывод 202 второго модуля М соединен с первым электрическим контактным выводом 193 третьего модуля М. Второй электрический контактный вывод 203 третьего модуля М соединен с первым электрическим контактным выводом 194 четвертого модуля М. Второй электрический контактный вывод 204 четвертого модуля М через дополнительные, не показанные на фиг.1 модули и через по меньшей мере одно колесо 9 соединен с рельсами. В разных вариантах осуществления подобного переключающего устройства число модулей может изменяться. Далее, в одном и том же переключающем устройство модули при необходимости могут подключаться или отключаться. Отключенный модуль больше не является частью последовательного включения от токоприемника через катушку 2 индуктивности, первый электрический контактный вывод 19, а также второй электрический контактный вывод 20 модуля М и колесо 9 к рельсам. Однако подключенный модуль является частью этого последовательного включения.
Каждый модуль М имеет первый выпрямитель 151, 152, 153, 154, который соединен с первым электрическим контактным выводом 191, 192, 193, 194 и вторым электрическим контактным выводом 201, 202, 203, 204.
Соответствующие друг другу детали и контактные выводы модулей, которые обозначены ссылочными цифрами, за исключением последней цифры соответствующего ссылочного обозначения обозначены одинаковыми цифрами. На месте последней цифры ссылочного обозначения стоит номер модуля. В дальнейшем от указания последней цифры откажемся, так как модули устроены одинаково.
р
S
ZK
На стороне постоянного тока первого выпрямителя 15 находятся две линии постоянного напряжения под разными потенциалами, между которыми включен конденсатор С и к которым подсоединена сторона постоянного напряжения инвертора 16. Сторона переменного напряжения инвертора 16 через трансформатор 17 соединена со стороной переменного напряжения второго выпрямителя 18. Сторона постоянного напряжения второго выпрямителя 18 через две линии постоянного напряжения соединена с третьим электрическим контактным выводом 21 или четвертым электрическим контактным выводом 22 модуля М. Между линиями постоянного тока включен конденсатор C. Третьи электрические контактные выводы 21 модулей М непосредственно соединены с первым потенциалом 7 промежуточного контура ZK постоянного напряжения. Четвертые электрические контактные выводы модулей М непосредственно соединены со вторым электрическим потенциалом 8 промежуточного контура постоянного напряжения. Между потенциалами 7, 8 промежуточного контура постоянного напряжения имеется электрическое напряжение U.
1
2
3
4
Пример осуществления для подробной электрической схемы модуля М показан на фиг.2. Первый выпрямитель 15, который на своей стороне переменного напряжения соединен с первым контактным выводом 19 и вторым контактным выводом 20, имеет две ветви, в которых последовательно включены соответственно по два полупроводниковых переключателя G, G; G, G.
P
Первый электрический контактный вывод 19 соединен с контактной точкой между двумя полупроводниковыми переключателями первой ветви. Второй электрический контактный вывод 20 соединен с контактной точкой между двумя полупроводниковыми переключателями второй ветви. Параллельно каждому полупроводниковому переключателю подключен безынерционный диод F, причем не все показанные на фиг.2 диоды явно обозначены ссылочным обозначением F. Концы обоих параллельно включенных ветвей с полупроводниковыми переключателями G подключены к электрическим контактным выводам стороны постоянного напряжения выпрямителя 15, между которыми подключен конденсатор C. Выпрямитель 15 работает как четырехквадрантный преобразователь, если устройство энергообеспечения и, тем самым, рельсовое транспортное средство эксплуатируются с сетью переменного напряжения. Если, наоборот, устройство эксплуатируется с сетью постоянного напряжения, выпрямитель 15 эксплуатируется как инвертор. В этом случае выпрямитель 15 является активным фильтром или частью активного фильтра, то есть выпрямителем или выпрямителями 15 вырабатываются переменные напряжения, которые имеют следствием протекающий через катушку 2 индуктивности переменный ток, который полностью или частично компенсирует протекающие через фильтр-катушку 3 индуктивности мешающие токи.
1
2
3
4
rp
RS
S
Инвертор 16 устроен как выпрямитель 15, причем стороны постоянного напряжения выпрямителя 15 и инвертора 16 соединены друг с другом. Полупроводниковые переключатели инвертора 16 обозначены ссылочными обозначениями P, Р, Р, P. Сторона переменного напряжения инвертора 16 через конденсатор C соединена с первичной стороной трансформатора 17. Вторичная сторона трансформатора 17 через конденсатор C соединена со вторым выпрямителем 18, который устроен как первый выпрямитель 15. Его полупроводниковые переключатели обозначены ссылочными обозначениями S1, S2, S3, S4. На стороне постоянного напряжения второго выпрямителя 18 находится конденсатор C.
При эксплуатации с сетью переменного напряжения падающее между первым 19 и вторым 20 электрическими контактными выводами переменное напряжение выпрямляется выпрямителем 15, подводится к инвертору 16, который преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение в среднечастотном диапазоне и подводится к первичной стороне трансформатора 17. Предпочтительно, трансформатор 17 эксплуатируется с передаточным отношением 1:1, то есть напряжение не изменяется. Альтернативно, трансформатор 17 может иметь, однако, также другое передаточное отношение. На вторичной стороне трансформатора 17 переменное напряжение подводится к выпрямителю 18, который выпрямляет переменное напряжение в постоянное напряжение, которое подводится к промежуточному контуру ZK постоянного напряжения. Вследствие того, что модули М на их сетевой стороне включены последовательно, однако на их стороне промежуточного контура постоянного напряжения включены параллельно, очень высокое переменное напряжение, например в 15 кВ, преобразуется в постоянное напряжение на промежуточном контуре постоянного тока в диапазоне от 1 кВ до 3 кВ без превышения максимально допустимого рабочего напряжения полупроводниковых переключателей.
р
р
р
Когда устройство энергообеспечения согласно фиг.1 эксплуатируется с сетью постоянного напряжения, то необходимая для промежуточного контура ZK энергия передается через электрическое соединение 5. Однако при работе тягового инвертора 13 возникают нежелательные мешающие сигналы, которые приводят к соответствующим мешающим токам (переменным токам), которые через катушку индуктивности 3 протекают в сеть 10. Для компенсации, по меньшей мере, части этих мешающих токов первые выпрямители 15 модулей М, по меньшей мере, частично эксплуатируются как инверторы. Через второй выпрямитель 18, трансформатор 17 и инвертор 16 конденсатор С на стороне постоянного напряжения первого выпрямителя 15 заряжается. Таким образом, первый выпрямитель 15 предоставляет в распоряжение энергию для выработки подходящих переменных токов для компенсации мешающих токов. Во всяком случае, при продолжительной работе требуется очень небольшая зарядка конденсатора С из промежуточного контура ZK постоянного тока, так как в случае компенсационных токов речь идет о переменных токах, так что энергия снова течет назад в конденсатор С.
Не показанное на фиг.1 и фиг.2 управляющее устройство полупроводниковых переключателей G первых выпрямителей 15 управляет этими полупроводниковыми переключателями G так, что подходящее в данный момент напряжение падает через катушку 2 индуктивности. Это напряжение посредством переключения полупроводниковых переключателей G становится переменным напряжением, которое вызывает подходящий для компенсации мешающих токов компенсационный ток. В результате мешающие токи и компенсационные токи компенсируются, по меньшей мере, частично, так что через токоприемник 1 при удачной компенсации в сеть не течет никакой ток или течет лишь небольшой допустимый переменный ток.
ZK
Для возможности подходящим образом управления полупроводниковыми переключателями выпрямителей 15, предпочтительно, измеряется мешающий ток через электрическую линию 5. Альтернативно или дополнительно, могут измеряться различные напряжения, прежде всего напряжение U промежуточного контура и напряжение между токоприемником 1 и колесом 9. Когда измеряются только такие напряжения, то мешающий ток может быть вычислен с использованием физической модели электрического устройства энергообеспечения или ее деталей. Можно также измерять не мешающий ток, а непосредственно напряжение между токоприемником и рельсами или колесом, и поддерживать это напряжение путем приведения в действие выпрямителя 15 по возможности свободным от переменной составляющей напряжения. Тогда в результате в сеть 10 не текут никакие или, во всяком случае, небольшие допустимые мешающие токи.
3
13
3
13
3
13
На фиг.3 показана возможная управляющая структура для активного фильтра, то есть для приведения в действие расположенного со стороны сети, первого выпрямителя устройства энергообеспечения в качестве инвертора. Входной величиной регулирующей структуры является ток i, который через катушку индуктивности 3 течет в электрическую линию 5 (см. фиг.1). Следующей входной величиной управляющей структуры является ток i через тяговый вентильный преобразователь 13, то есть между потенциалами 7, 8 промежуточного контура ZK постоянного тока. Ток i и ток i в вычитающем устройстве 31 вычитаются друг из друга и дают ток, который должен вырабатываться активным фильтром. Этот ток равен току через катушку 2 индуктивности. Протекающий в данный момент через катушку 2 индуктивности ток i2 подводится к сумматору 32, который также содержит разность между токами i и i. Поэтому на выходе сумматора 32 имеется в распоряжении подлежащий дополнительной выработке активным фильтром ток как входная информация для регулирующего устройства 33. Регулирующее устройство вычисляет из него число подлежащих включению или подлежащих отключению выпрямителей 15 модулей М. Для возможности вычисления подлежащих включению выпрямителей регулирующее устройство 33 предоставляет в распоряжение дополнительную информацию, например о существующих на стороне постоянного напряжения выпрямителей 15 напряжениях.
ZK
N
На выходе регулирующего устройства 33 теперь имеется в распоряжении информация о подлежащих включению или подлежащих выключению выпрямителей. Она подводится в дополнительном выполнении к сумматору 36, который также получает выходной сигнал второго регулирующего устройства 35 как вторую входную величину и суммирует оба эти входные сигналы. Второе регулирующее устройство 35 получает в качестве входного сигнала отношение напряжений сети, то есть напряжения между сетью 10 энергообеспечения и колесом 9 или рельсом, и напряжения U промежуточного контура. Из этого отношения второе регулирующее устройство 35 вычисляет заранее, то есть без знания протекающих в данный момент мешающих токов, число нужных в данный момент подключенных первых выпрямителей 15 модулей М. В основе этого лежит идея о том, что напряжение сети U может сильно колебаться при эксплуатации рельсового транспортного средства.
N
ZK
На выходе сумматора 36 находится теперь число подлежащих включению или подлежащих отключению в данный момент выпрямителей 15. «Включать» означает, что приложенное к конденсатору Ср на стороне постоянного напряжения выпрямителя 15 напряжение переключается на сторону переменного напряжения. Разумеется, можно также переключать это напряжение наоборот, то есть с обратным знаком, на сторону переменного напряжения. Можно также переключить выпрямитель на нулевое напряжение, то есть он не вносит вклад в суммарное напряжение включенных последовательно выпрямителей 15. Второе регулирующее устройство 35 выдает отношение напряжения U и напряжения U промежуточного контура в дискретизированном виде, то есть округленной до целого положительно числа числового значения. Например, цифровое значение 1 соответствует отношению напряжений до 1,5. Обычно отношение напряжений равно примерно 1, так как промежуточный контур ZK и сеть 10 соединены друг с другом через сравнительно небольшую катушку 3 индуктивности 3. Однако сетевое напряжение может кратковременно прерываться или могут возникать высокие пики напряжения. В этом случае второе регулирующее устройство 35 выдает другое целое значение. За счет этого второе регулирующее устройство 35 реагирует на внешние воздействия и приводит к тому, что первое регулирующее устройство 33 реагирует в основном только на мешающие токи, которые возникают при эксплуатации тягового инвертора 13.
Управляющее устройство 37 получает это число подлежащих включению или подлежащих отключению выпрямителей. Альтернативно, оно может, при другом выполнении регулирующей структуры, получать в качестве входной величины желаемое изменение напряжения, которое падает через последовательное соединение выпрямителей 15 на их стороне переменного напряжения. Возможны также другие эквивалентные величины в качестве входных величин управляющего устройства 37. Управляющее устройство 37 определяет теперь полупроводниковые переключатели выпрямителей 15, которые должны переключаться. В общем, для этого имеется много возможностей. Предпочтительно, управляющее устройство переключает те полупроводниковые переключатели, которые приводят к минимальной тепловой нагрузке всех выпрямителей 15. При малой тепловой нагрузке все выпрямители имеют примерно одинаковую тепловую нагрузку. Альтернативно, управляющее устройство 37 может выбирать полупроводниковые переключатели так, что для каждого выпрямителя не превышается заданная тепловая нагрузка.
Возможности, как управляющее устройство выбирает полупроводниковые переключатели или соответствующие выпрямители, уже были описаны выше. Если сформулировать в общем виде, то управляющее устройство 37 выбирает подлежащие переключению полупроводниковые переключатели или подлежащие управлению выпрямители, полупроводниковые переключатели которых должны переключаться, в зависимости от того, как высока температура выпрямителей или по меньшей мере одного из полупроводниковых переключателей, или исходя из того, в какой последовательности переключений ранее переключались выпрямители или полупроводниковые переключатели. Предпочтительно, в последнем случае переключаются полупроводниковые переключатели или выпрямители, которые дольше, чем другие полупроводниковые переключатели и или выпрямители, больше не переключались.
Для предотвращения того, что регулятор на своем выходе вырабатывает высокочастотные колебания (Jitter), могут быть предусмотрены гистерезисы переключений, то есть пороговое значение для увеличения числа включенных модулей М или же выпрямителей 15 отличается от порогового значения, которое должно быть достигнуто или превышено для уменьшения количества включенных выпрямителей. Например, пороговое значение составляет 1,6 для повышения количества от 1 до 2, в то время как пороговое значение для уменьшения от 2 до 1 составляет 1,5.