МНОГОСИСТЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТОКА
MULTI-SYSTEM DEVICE FOR CURRENT CONVERTER

Изобретение относится к многосистемному устройству преобразователя тока для избирательного снабжения электрического приводного двигателя рельсового транспортного средства от сети переменного тока или сети постоянного тока.
В ходе технического развития электрического рельсового транспорта развивались различные стандарты тяговой электросети, которые до сих пор находят применение параллельно друг другу в разных странах или участках дорог или для различных рельсовых транспортных средств (например, на магистральных железных дорогах, трамваях, метро и т.д.). К распространенным системам тяговой электросети относятся, в частности, системы постоянного тока с величинами напряжения 3 кВ (DC 3 кВ) и 1,5 кВ (DC 1,5 кВ) и (однофазные) системы переменного тока с эффективным напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц (AC 25 кВ 50 Гц) или эффективным напряжением 15 кВ и частотой 16,7 Гц (AC 15 кВ 16,7 Гц).
Для трансграничных железнодорожных перевозок и гибкого использования на других по-разному электрифицированных участках дорог (например, трамвайной сети и сети магистральных железных дорог) были разработаны так называемые многосистемные транспортные средств, которые, соответственно, могут эксплуатироваться в двух или более системах тяговой электросети. К ним относятся, в частности, те транспортные средства, которые могут эксплуатироваться как с помощью постоянного тока, так и с помощью переменного тока.
Современные многосистемные транспортные средства содержат в качестве приводных двигателей обычно трехфазные двигатели, в которых многофазный переменный ток в качестве приводного тока предоставляется из предвключенного устройства преобразователя тока.
Такое устройство преобразователя тока обычно включает в себя для каждого питаемого приводного двигателя импульсный преобразователь тока на стороне нагрузки, который подключен между питаемым двигателем и промежуточным контуром (постоянного напряжения). Устройство преобразователя тока включает в себя, кроме того, по меньшей мере один преобразователь тока сетевой стороны (чаще всего выполненный также как импульсный преобразователь тока), через который промежуточный контур связан с соответствующей тяговой электросетью.
В предусмотренном для многосистемного транспортного средства многосистемном устройстве преобразователя тока один или каждый преобразователь тока может выборочно (т.е. альтернативно в зависимости от доступности) связываться с одной из нескольких различных тяговых электросетей, в частности, с сетью постоянного напряжения и сетью переменного напряжения.
Промежуточный контур устройства преобразователя тока должен регулярно подзаряжаться перед собственно началом эксплуатации, то есть контролируемым образом приводиться на предусмотренное напряжение промежуточного контура или близкое к нему напряжение, чтобы избежать больших пусковых токов. Для предварительного заряда устройство преобразователя тока обычно включает в себя специальные цепи предварительного заряда, в которых для ограничения тока при подзаряде предусмотрено омическое сопротивление предварительного заряда.
В многосистемных устройствах преобразователя тока для предварительного заряда промежуточного контура от сети постоянного тока или от сети переменного тока предусмотрены, как правило, отдельные цепи предзаряда, соответственно, со своими сопротивлениями предварительного заряда. Эти цепи предварительного заряда вызывают негативным образом значительные затраты на монтаж и потребности в пространстве для размещения. Кроме того, цепи предварительного заряда вносят значительный вклад в требуемые затраты на техническое обслуживание и ремонт. Это, в частности, обусловлено тем обстоятельством, что сопротивления предварительного заряда, ввиду их величины и расположения, не могут, как правило, заменяться в смонтированном состоянии устройства преобразователя тока, так что для каждой замены каждого сопротивления предварительного заряда чаще всего все устройство преобразователя тока должно демонтироваться с соответствующего рельсового транспортного средства.
В основе изобретения лежит задача предложить усовершенствованное в этом отношении многосистемное устройство преобразователя тока.
Эта задача решается в соответствии с изобретением посредством признаков пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные формы выполнения изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения и нижеследующем описании.
Многосистемное устройство преобразователя тока, предусмотренное для избирательного снабжения электрического приводного двигателя рельсового транспортного средства от сети переменного тока или сети постоянного тока, включает в себя известный сам по себе преобразователь тока сетевой стороны, преобразователь тока стороны нагрузки, а также промежуточный контур (постоянного напряжения), который соединяет оба эти преобразователя тока. Оба преобразователя тока предпочтительно выполнены в виде импульсного преобразователя тока. Кроме того, преобразователь тока включает в себя схему предварительного заряда с сопротивлением предварительного заряда.
В соответствии с изобретением эта схема предварительного заряда и, в частности, расположенное в ней сопротивление предварительного заряда применяются как для предварительного заряда промежуточного контура от сети переменного тока, так и для предварительного заряда промежуточного контура от сети постоянного тока. Для этого сопротивление предварительного заряда посредством коммутационной группы – в зависимости от доступности соответствующей сети – может по выбору связываться с сетью переменного тока или с сетью постоянного тока. При этом в качестве связи в общем случае обозначается соединение, которое обеспечивает возможность передачи электрической мощности между сетью и устройством преобразователя тока. Связь с сетью постоянного тока осуществляется при этом рациональным образом непосредственно через установление гальванического соединения. Связь с сетью переменного тока осуществляется, однако, предпочтительно опосредованно через промежуточный трансформатор. В качестве коммутационной группы в общем случае обозначается компоновка из одного или нескольких электрических переключающих элементов (электромагнитных переключателей и/или полупроводниковых переключателей), которая обеспечивает вышеописанную многофункциональность схемы предварительного заряда.
Посредством гибкой пригодности к эксплуатации одной схемы предварительного заряда в режиме работы на постоянном токе и в режиме работы на переменном токе, по сравнению с обычными топологиями многосистемных устройств преобразователя тока, обеспечивается экономия по меньшей мере одного сопротивления предварительного заряда, за счет чего снижаются затраты на изготовление и потребности в пространстве для размещения для устройства преобразователя тока. Кроме того, за счет экономии на одном сопротивлении предварительного заряда улучшается помехозащищенность устройства преобразователя тока, благодаря чему могут быть сокращены затраты на техническое обслуживание и ремонт.
В предпочтительной форме выполнения промежуточный контур постоянного напряжения включает в себя два - электрически постоянно соединенные или по меньшей мере подключаемые вместе - частичные промежуточные контура, которые соединяют соответствующий преобразователь тока сетевой стороны с соответствующим преобразователем тока стороны нагрузки. При этом каждый преобразователь тока стороны нагрузки служит, в частности, для электроснабжения собственного приводного двигателя.
Цепь предварительного заряда включает в себя в этом случае два сопротивления предварительного заряда, которые с помощью коммутационной группы могут по выбору включаться последовательно или электрически отделяться друг от друга. Для предварительного заряда от сети переменного тока каждый из частичных промежуточных контуров посредством коммутационной группы через соответственно ассоциированное сопротивление предварительного заряда может связываться с сетью переменного тока. Для предварительного заряда от сети постоянного тока частичные промежуточные контура, напротив, посредством коммутационной группы через последовательное соединение сопротивлений предварительного заряда могут связываться с сетью постоянного тока. За счет такого выполнения схемы предварительного заряда - аналогично обычным многосистемным устройствам преобразователя тока – достигается то, что для предварительного заряда от сети постоянного тока в распоряжение предоставляется большая величина сопротивления, чем для предварительного заряда от сети переменного тока, не требуя для этого, чтобы предусматривались отдельные сопротивления предварительного заряда.
Примерный вариант осуществления изобретения поясняется далее более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - электрическая схема обычного многосистемного устройства преобразователя тока и
Фиг. 2 – в представлении согласно фиг. 1 форма выполнения соответствующего изобретению многосистемного устройства преобразователя тока.
Соответствующие друг другу элементы на обеих фигурах снабжены одинаковыми ссылочными позициями.
Фиг. 1 показывает в качестве примера обычное (многосистемное) устройство 1 преобразователя тока для многосистемного локомотива, который может эксплуатироваться как в сети 2 переменного тока, так и в сети 3 постоянного тока. При этом в локомотиве предусмотрены два одинаково выполненные устройства 1 преобразователя тока, из которых для большей ясности только одно показано детально, в то время как другое лишь обозначено.
Устройство 1 преобразователя тока содержит промежуточный контур 4 (постоянного напряжения) с положительной шиной 5 и отрицательной шиной 6. В показанном варианте выполнения промежуточный контур 4 разделен на два частичных промежуточных контура 7 и 8. При этом отрицательные шины 6 частичных промежуточных контуров 7 и 8 постоянно короткозамкнуты через соединительную шину 9. Положительные шины 5 частичных промежуточных контуров 7 и 8 могут реверсивно закорачиваться через соединительную шину 10 двумя расположенными в ней переключателями 11 и 12 или электрически отсоединяются друг от друга.
Частичный промежуточный контур 7 соединяет импульсный преобразователь 13 тока сетевой стороны с импульсным преобразователем 14 тока стороны нагрузки. Аналогично, частичный промежуточный контур 8 соединяет импульсный преобразователь 15 тока стороны сети с импульсным преобразователем 16 тока стороны нагрузки. Импульсные преобразователи 14 и 16 тока стороны нагрузки представляют собой, соответственно, трехфазный полномостовой инвертор для генерации трехфазного приводного тока для соответствующего подключенного в качестве нагрузки приводного двигателя 17 или 18. Импульсные преобразователи 13 и 15 тока сетевой стороны выполнены, соответственно, как выполненный с избыточностью (таким образом, включающий в себя всего четыре полумоста) четырехквадрантный исполнительный механизм.
Через импульсные преобразователи 13 и 15 тока сетевой стороны соответствующий частичный промежуточный контур 7 и 8 соединяется с цепью 19 сетевого подключения, через которую соответствующий импульсный преобразователь 13 или 15, в свою очередь - через трансформатор 20 – может связываться с сетью 2 переменного тока.
Для режима работы на постоянном токе две вторичные обмотки 21, 22 трансформатора 20 соединяются через переключатели 23, 24 и 25 цепи 19 сетевого подключения, а также через дроссель 26 и переключатели 11 и 12 включаются последовательно между сетью 3 постоянного тока 3 и промежуточным контуром 4. При этом вторичные обмотки 21 и 22 образуют с дросселем 26, конденсатором 27 и демпфирующим резистором 28 входной фильтр. Переключатель 29, шунтирующий демпфирующий резистор 28, разомкнут в режиме работы на постоянном токе.
Подача питания постоянного тока осуществляется через токосъемник 30, который для этой цели связан с воздушной линией 31 сети 3 постоянного тока, и основной переключатель 32 (постоянного тока). Оба импульсных преобразователя 13 и 15 тока сетевой стороны в режиме работы на постоянном токе посредством разомкнутых переключателей 33, 34, 35 и 36 цепи 19 сетевого подключения отсоединены от сети 3 постоянного тока и, таким образом, не используются.
Для режима работы на переменном токе импульсные преобразователи 13 и 15 тока сетевой стороны опосредованно через трансформатор 20 и токосъемник 37 связываются с действующей в качестве фазы сети 2 переменного тока воздушной линией 38.
Обратная связь по току осуществляется как в режиме работы по постоянному току, так и в режиме работы по переменному току через колеса 39 локомотива и рельс 40, действующий в качестве отрицательного полюса сети 3 постоянного тока или нейтраль сети 2 переменного тока. Для этого в режиме работы на постоянном токе колеса 39 через переключатель 41 соединены с отрицательной шиной 6 промежуточного контура 4.
Для предварительного заряда промежуточного контура 4 обычное устройство 1 преобразователя тока согласно фиг. 1 содержит три отделенных друг от друга цепи 42, 43 и 44 предварительного заряда. Из этих цепей 42, 43, 44 предварительного заряда, цепи 42 и 43 предварительного заряда служат для предварительного заряда промежуточного контура 4 от сети 2 переменного тока. Цепь 42 предварительного заряда для этого ассоциирована с частичным промежуточным контуром 7 и соответственно включена между импульсным преобразователем 13 тока сетевой стороны и первой вторичной обмоткой 21 трансформатора 20. Цепь 43 предварительного заряда ассоциирована с частичным промежуточным контуром 8 и соответственно подключена между импульсным преобразователем 15 тока сетевой стороны и второй вторичной обмоткой 22 трансформатора 20. Цепь 44 предварительного заряда служит для предварительного заряда промежуточного контура 4 от сети 3 постоянного тока.
Цепь 42 предварительного заряда включает в себя сопротивление 45 предварительного заряда и коммутационную группу, которая образована переключателем 34, а также дополнительным переключателем 46. В рамках цепи 42 предварительного заряда, последовательное соединение сопротивления 45 предварительного заряда и переключателя 46 включено параллельно переключателю 34.
Аналогично, цепь 43 предварительного заряда включает в себя сопротивление 47 предварительного заряда и коммутационную группу, которая образована переключателем 36, а также дополнительным переключателем 48, причем последовательное соединение сопротивления 47 предварительного заряда и переключателя 48 включено параллельно переключателю 36.
Цепь 44 предварительного заряда, наконец, содержит сопротивление 49 предварительного заряда и коммутационную группу, которая образована переключателем 23, а также дополнительным переключателем 50, причем последовательное соединение сопротивления 49 предварительного заряда и переключателя 50 включено параллельно переключателю 23.
Чтобы промежуточный контур 4 подзарядить от сети 2 переменного тока, используется либо цепь 42 предварительного заряда, либо цепь 43 предварительного заряда. В частности, при выходе из строя частичного промежуточного контура 8 предварительный заряд осуществляется через цепь 42 предварительного заряда, в которой для этого переключатель 34 размыкается (включен в запертом состоянии), а переключатель 46 замыкается (включен в проводящем состоянии). Кроме того, переключатель 33 замыкается, так что между вторичной обмоткой 21 и импульсным преобразователем 13 образуется замкнутая цепь тока через сопротивление 45 предварительного заряда. В частности, в случае выхода из строя частичного промежуточного контура 7, предварительный заряд выполняется через цепь 43 предварительного заряда, в которой для этого переключатель 36 размыкается, а переключатель 48 замыкается. Кроме того, переключатель 35 замыкается, так что между вторичной обмоткой 22 и импульсным преобразователем 15 тока образуется замкнутая цепь тока через сопротивление 47 предварительного заряда.
Предварительный заряд от сети 2 переменного тока предполагает, что воздушная линия 38, принадлежащая сети 2 переменного тока, контактирует с токосъемником 37 и что ассоциированный основной переключатель 51 (переменного тока) замкнут.
После того как предварительный заряд завершен, переключатель 46 или переключатель 48 размыкается, а переключатели 34 и 36 замыкаются, так что сопротивления 45 и 47 предварительного заряда шунтированы низкоомным образом.
Для предварительного заряда промежуточного контура 4 от сети 3 постоянного тока, переключатель 50 в цепи 44 предварительного заряда замыкается, а переключатель 23 размыкается. Кроме того, переключатели 24 и 25 замыкаются. предварительный заряд промежуточного контура 4 предполагает, что токосъемник 30 контактирует с воздушной линией 31, относящейся к сети 3 постоянного тока, и что ассоциированный основной переключатель 32 замкнут. Кроме того, промежуточный контур 4 соединен через переключатель 41 с рельсом 40, находящимся под потенциалом массы. Таким образом, между сетью 3 постоянного тока и промежуточным контуром 4 образуется замкнутая цепь тока, ведущая через сопротивление 49 предварительного заряда, так что промежуточный контур 4 заряжается через сопротивление 49 предварительного заряда, вторичные обмотки 21, 22 и дроссель 26. Сопротивление 49 предварительного заряда обеспечивает при этом ограничение пускового тока.
Когда предварительный заряд завершен, переключатель 50 размыкается, а переключатель 23 замыкается, так что сопротивление 49 предварительного заряда шунтируется низкоомным образом.
В типичном выполнении, сопротивления 45 и 47 предварительного заряда имеют, соответственно, половинную величину сопротивления 49 предварительного заряда.
Представленная на фиг. 2 форма выполнения соответствующего изобретению устройства 1 преобразователя тока подобна, - пока дальше не описано иначе - обычной конструкции согласно фиг. 1. Однако в соответствующем изобретению устройстве 1 преобразователя тока согласно фиг. 2 отсутствует сопротивление 49 предварительного заряда и ассоциированный с ним переключатель 50. Вместо этого, сопротивления 45 и 47 предварительного заряда в устройстве 1 преобразователя тока согласно фиг. 2 могут подключаться последовательно с помощью переключателя 52. При этом цепи 42 и 43 предварительного заряда с помощью переключателя 52 включаются вместе в цепь 53 предварительного заряда, которая служит как для предварительного заряда промежуточного контура 4 от сети 2 переменного тока, так и для предварительного заряда промежуточного контура 4 от сети 3 постоянного тока. Эта цепь 53 предварительного заряда включает в себя, таким образом, сопротивления 45 и 47 предварительного заряда, а также, в качестве коммутационной группы, пять переключателей 34, 36, 46, 48 и 52.
Предварительный заряд промежуточного контура 4 от сети 2 переменного тока осуществляется таким же образом, как в форме выполнения согласно фиг. 1, причем дополнительный переключатель 52 разомкнут.
Для предварительного заряда от сети 3 постоянного тока, - в отличие от фиг. 1, - переключатель 24 размыкается, а переключатель 23 замыкается. Кроме того, дополнительный переключатель 52 замыкается. Остальные положения переключателей и условия соответствуют подзаряду на постоянном токе в случае обычного устройства 1 преобразователя тока согласно фиг. 1
В этом состоянии сопротивления 45 и 47 предварительного заряда включены последовательно между сетью 3 постоянного тока 3 и промежуточным контуром 4, так что – соответствующее значению сопротивления согласно сопротивлению 49 предварительного заряда - последовательное соединение сопротивлений 45 и 47 предварительного заряда ограничивает пусковой ток.
Как только предварительный заряд завершен, переключатель 52 размыкается, а переключатель 24 замыкается, так что последовательное соединение сопротивлений 45 и 47 предварительного заряда низкоомно шунтируется посредством переключателя 24 и вторичной обмотки 22.
Изобретение пояснено на основе представленного на фиг. 2 примера выполнения, однако не ограничивается им. Более того, другие формы выполнения изобретения могут быть получены на основе описания и формулы изобретения.