ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРИВОДА С ВОЗБУЖДАЕМЫМ ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ СИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ
DIESEL-ELECTRIC DRIVE SYSTEM WITH SYNCHRONOUS GENERATOR EXCITED BY PERMANENT MAGNETS

Изобретение относится к дизель-электрической системе привода согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Соответствующая родовому понятию система привода следует из публикации с названием: "Энергетически эффективная система привода для дизель-электрического маневрового локомотива" ("Energy Efficient Drive System for a Diesel Electric Shunting Locomotive") авторов Олаф Кёрнер, Йене Бранд и Карстен Рехенберг, напечатанной в сборнике конференции "ЕРЕ'2005" конференции ЕРЕ в Дрездене 11-14.09.2005. В этой публикации противопоставлены друг другу две дизель-электрические системы привода с возбуждаемым постоянными магнитами синхронным генератором. Эти обе системы привода отличаются только тем, что включенный со стороны генератора вентильный преобразователь электроэнергии двухзвенного вентильного преобразователя напряжения один раз является диодным выпрямителем, а второй раз - автономным импульсным вентильным преобразователем электроэнергии. Автономный импульсный вентильный преобразователь электроэнергии в этой публикации обозначен как IGBT-выпрямитель [IGBT= биполярный транзистор с изолированным затвором]. В обоих системах привода тормозной резистор является соединяемым с промежуточным звеном двухзвенного вентильного преобразователя напряжения. Для этого предусмотрен отключаемый тиристор, который обозначается так же, как запираемый или двухоперационный тиристор (GTO= Gate Turn Off-Thyristor).
Посредством этого импульсного сопротивления обеспечивают то, что постоянное напряжение в промежуточном звене двухзвенного вентильного преобразователя напряжения в режиме торможения, то есть когда нагрузка, в частности электрическая машина с вращающимся магнитным полем, поставляет энергию в промежуточное звено, не превышает максимально допустимого напряжения промежуточного звена. Часть этой мощности торможения применяют для того, чтобы компенсировать момент ведения работающего вхолостую дизельного двигателя. Как недостаток проявляется то, что для тормозного регулятора нужно применять дополнительное плечо моста вентильного преобразователя электроэнергии и необходимо производить дополнительное соединение шинами этого тормозного регулятора с ошиновкой промежуточного звена. При этом следует принимать во внимание, что тормозной регулятор должен бы подключаться с низкой индуктивностью.
В зависимости от тормозного момента может случаться, что для тормозного регулятора должны применяться дополнительные плечи моста вентильного преобразователя электроэнергии, которые включаются электрически параллельно. Кроме того, для отключаемого тиристора требуется управляющее устройство. Далее отключаемый тиристор, примененный в качестве тормозного регулятора, имеет сложную монтажную схему, которая соответственно требует места.
Из DE 10210164 А1 известно устройство многократного питания от выпрямителя возбуждаемого постоянными магнитами синхронного двигателя в силовой установке. Этот возбуждаемый постоянными магнитами синхронный генератор содержит две многофазные системы статорных обмоток, которые выполнены различными по своему числу витков. Одна система обмотки подключена к управляемому выпрямителю, например IGBT-выпрямителю. Этот управляемый выпрямитель имеет задачу - регулировать возбуждаемый постоянными магнитами синхронный генератор относительно отдаваемой мощности и тем самым частоты вращения. Для этого в области малых частот вращения ток и тем самым электрическая мощность течет исключительно через эту систему обмотки и тем самым через управляемый выпрямитель, который подключен к промежуточному звену постоянного напряжения. Вторая система обмотки подключена к неуправляемому выпрямителю, например к многопульсному диодному мосту, который также подключен к тому же самому промежуточному звену постоянного напряжения, как и управляемый выпрямитель. Если сопряженное (то есть фаза относительно фазы) напряжение вращения (также обозначаемое как роторное напряжение) является больше, чем напряжение промежуточного звена постоянного напряжения, во второй системе обмотки может течь ток, который выпрямляется через неуправляемый выпрямитель до промежуточного звена постоянного напряжения. При этом через магнитную связь между первой и второй системой обмотки можно влиять по амплитуде и положению фаз на ток во второй системе обмотки за счет тока в первой системе обмотки, который регулируется путем активного выпрямителя (управляемый выпрямитель). Это означает, что с помощью управляемого выпрямителя также можно регулировать до известной степени ток в системе обмотки неуправляемого выпрямителя. Передачу активной мощности этого устройства главным образом принимает на себя неуправляемый выпрямитель, таким образом управляемый выпрямитель по своей мощности рассчитывается с малым запасом и тем самым экономичным относительно расходов. С помощью этого управляемого выпрямителя, который обозначают в общем также как автономный импульсный вентильный преобразователь электроэнергии, избегается режим сильного перевозбуждения возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора. Кроме того, компенсируются гармоники в генераторном моменте, которые вызываются неуправляемым выпрямителем.
В основе изобретения теперь лежит задача улучшения соответствующей родовому понятию дизель-электрической системы привода таким образом, чтобы можно было отказаться от дополнительного регулятора торможения.
Эта задача согласно изобретения решается отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения в связи с признаками его ограничительной части.
За счет того, что каждый вывод со стороны генератора находящегося со стороны генератора автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии двухзвенного вентильного преобразователя напряжения посредством коммутационного устройства является электропроводяще присоединяемым с тормозным резистором, этот автономный импульсный вентильный преобразователь электроэнергии дополнительно принимает на себя задачу регулирования тормозного тока. Тем самым тормозной регулятор на промежуточном звене постоянного тока двухзвенного вентильного преобразователя напряжения отпадает.
В одной предпочтительной форме выполнения этой электрической системы привода двухзвенный вентильный преобразователь напряжения содержит со стороны генератора дополнительный автономный импульсный вентильный преобразователь электроэнергии, который подключен со стороны постоянного напряжения к промежуточному звену напряжения постоянного тока двухзвенного вентильного преобразователя напряжения, причем эти оба автономные импульсные вентильные преобразователи электроэнергии со стороны генератора соответственно связаны со стороны переменного напряжения с выводом первого и второго дросселя, причем второй вывод каждого первого дросселя посредством коммутационного устройства связан с тормозным резистором и посредством следующего коммутационного устройства с выводом со стороны статора возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора, и причем второй вывод каждого второго дросселя связан с находящимся со стороны статора выводом возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора. За счет применения следующего находящегося со стороны генератора импульсного вентильного преобразователя электроэнергии и первого и второго дросселей в дизель-электрической системе привода является возможным торможение двигателем в режиме торможения в дизельном двигателе, как в грузовом автомобиле, за счет чего часть мощности в электрическом торможении рассеивается через дизельный двигатель. За счет этого можно при одинаковой мощности соответственно уменьшать тормозной резистор. В генераторном режиме работы оба со стороны генератора параллельно включенные многофазные автономные импульсные вентильные преобразователи электроэнергии развязаны со стороны входа за счет этих первого и второго дросселей.
В дальнейшей в предпочтительной форме выполнения дизель-электрической системы привода возбуждаемый постоянными магнитами синхронный генератор имеет две отдельные системы статорных обмоток, а двухзвенный вентильный преобразователь напряжения со стороны генератора - два автономных импульсных вентильных преобразователя электроэнергии, находящиеся со стороны переменного напряжения, выводы которых соответственно связаны с выводом со стороны статора одной из обоих систем статорных обмоток. За счет этого статорные обмотки обоих систем обмоток возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора связаны соответственно с находящимся со стороны генератора автономным импульсным вентильным преобразователем электроэнергии двухзвенного вентильного преобразователя напряжения, и со стороны постоянного напряжения соединены вместе с промежуточным звеном двухзвенного вентильного преобразователя напряжения. Со стороны переменного напряжения один из этих двух находящихся со стороны генератора автономных импульсных вентильных преобразователей электроэнергии двухзвенного вентильного преобразователя напряжения посредством коммутационного устройства связан с тормозным резистором. Также с этим соответстветствующим изобретению выполнением дизель-электрической системы привода является возможным торможение двигателем в дизельном двигателе, как в грузовых автомобилях, так что часть мощности в электрических тормозах может рассеиваться через дизельный двигатель. За счет этого можно соответственно уменьшать тормозной резистор.
Дальнейшие предпочтительные формы выполнения дизель-электрической системы привода следуют из зависимых пунктов 4-8 формулы изобретения.
Для дальнейшего пояснения изобретения делается ссылка на чертежи, на которых схематически наглядно представлены несколько примеров выполнения соответствующей изобретению дизель-электрической системы привода.
Фиг.1 показывает схему замещения соответствующей родовому понятию дизель-электрической системы привода, на
Фиг.2 представлена схема замещения первой формы выполнения соответствующей изобретению дизель-электрической системы привода,
Фиг.3 показывает схему замещения модуля плеча моста автономного вентильного преобразователя электроэнергии со стороны генератора двухзвенного вентильного преобразователя напряжения согласно Фиг.2,
Фиг.4 показывает схему замещения второй формы выполнения дизель-электрической системы привода согласно изобретению, на
Фиг.5 представлена схема замещения модуля плеча моста реверсивного двухкомплектного вентильного преобразователя находящегося со стороны генератора автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии двухзвенного вентильного преобразователя напряжения согласно Фиг.4 и на
Фиг.6 схема замещения третьей формы выполнения соответствующей изобретению дизель-электрической системы привода.
На Фиг.1, которая показывает схему замещения дизель-электрической системы привода согласно родовому понятию, позицией 2 обозначен дизельный двигатель, 4 - возбуждаемый постоянными магнитами синхронный генератор, позицией 6 обозначен двухзвенный вентильный преобразователь напряжения, 8 - несколько электрических машин с вращающимся магнитным полем, в частности трехфазные асинхронные двигатели, и 10 - тормозной прерыватель. Двухзвенный вентильный преобразователь напряжения содержит со стороны генератора и нагрузки по автономному импульсному вентильному преобразователю 12 и 14, которые со стороны постоянного напряжения электропроводяще соединены друг с другом посредством промежуточного звена 18, содержащего конденсаторную батарею 16 промежуточного звена. Электрически параллельно к этому промежуточному звену 18 включен тормозной прерыватель 10, который содержит тормозной резистор 20 и тормозной регулятор 22, например отключаемый тиристор, которые включены электрически последовательно. Кроме того, в этой схеме замещения представлены конденсаторная батарея 24, выполненная, в частности, из Supercaps, преобразователь постоянного напряжения 26 и вспомогательный инвертор 28. Со стороны входа этот преобразователь постоянного напряжения 26 связан с конденсаторной батареей 24 и со стороны выхода - с выводами со стороны постоянного напряжения вспомогательного инвертора 28. Кроме того, преобразователь постоянного напряжения 26 электрически подключен со стороны выхода к промежуточному звену 18 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6. К выводам со стороны переменного напряжения вспомогательного инвертора 28 подключены вспомогательные приводы, которые здесь в явном виде не представлены. Дизельный двигатель 2 и возбуждаемый постоянными магнитами синхронный генератор 4 механически связаны друг с другом со стороны ротора, причем этот возбуждаемый постоянными магнитами синхронный генератор 4 со стороны статора связан с находящимися со стороны переменного напряжения выводами включенного со стороны генератора автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии 12 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6.
Так как эта схема замещения является схемой замещения дизель-электрического маневрового локомотива, позицией 30 обозначен тяговый контейнер, который содержит преобразовательную электронику. Вне этого тягового контейнера 30 расположены тормозной резистор и возбуждаемый постоянными магнитами синхронный генератор 4 с приводом от дизеля. Четыре трехфазных асинхронных двигателя 8 являются двигателями обоих поворотных тележек дизель-электрического маневрового локомотива.
Тормозной резистор 20, который в этой схеме замещения выполнен в виде одного резистора, может быть выполнен также из последовательно включенных резисторов. Отключаемый тиристор 22 является в этой реализации модулем плеча моста вентильного преобразователя, при котором вместо второго отключаемого тиристора применяют только соответствующий нулевой вентиль. К этому модулю плеча моста вентильного преобразователя относится кроме того монтажная схема для отключаемого тиристора и так называемый вентильный блок Gate-Unit.
На Фиг.2 схематически представлена схема замещения первой формы выполнения соответствующей изобретению дизель-электрической системы привода. По причинам обзорности предусмотренный со стороны нагрузки автономный импульсный вентильный преобразователь электроэнергии 14 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6 и трехфазные асинхронные двигатели 8, как показано на Фиг.1, больше не представлены. Со стороны переменного напряжения выводы R, S и Т предусмотренного со стороны генератора автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии 12 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6 являются соединяемыми соответственно, с одной стороны, посредством коммутационного устройства 32 с тормозным резистором 34, 36 и 38 и, с другой стороны, посредством силового выключателя 40 с предусмотренным со стороны статора выводом 42, 44 и 46 возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора 4. В этом представлении от этого возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора 4, кроме того, представлена его система статорной обмотки. В этом представлении коммутационные устройства каждой фазы системы привода символически показаны посредством коммутационного устройства 32. То же самое справедливо для силового выключателя 40. Тормозные резисторы 34, 36 и 38 в этом представлении электрически включены звездой и соответствуют по значениям тормозному резистору 20 формы выполнения согласно Фиг.1. Эти тормозные резисторы 34, 36 и 38 могут быть также включены электрически треугольником. В качестве коммутационного устройства 32 предусмотрен трехфазный разъединитель. Подобный разъединитель открывается обесточенно. Силовой выключатель 40 предусмотрен для защиты автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии 12. Вместо электромеханического коммутационного устройства 32 может быть также предусмотрено чисто электрическое коммутационное устройство 32. Для этого применяют тиристоры, которые включены электрически треугольником, и причем тормозные резисторы 34, 36 и 38 соответственно электропроводяще соединены с двумя включенными электрически последовательно тиристорами.
Предусмотренный со стороны генератора автономный импульсный вентильный преобразователь электроэнергии 12 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6 в этой форме выполнения дизель-электрической системы привода реализован посредством модулей плечей моста 48 вентильного преобразователя электроэнергии. Схема замещения этих модулей плечей моста 48 вентильного преобразователя электроэнергии более подробно представлена на Фиг.3. Находящиеся со стороны постоянного напряжения выводы 50 и 52 каждого модуля плеча моста 48 вентильного преобразователя электроэнергии предусмотренного со стороны генератора автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии 12 электропроводяще соединены соответственно с потенциалом промежуточного звена 18 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6. При этом находящиеся со стороны постоянного напряжения выводы 50 трех модулей плечей моста 48 вентильного преобразователя электроэнергии автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии 12 соответственно соединены с положительным потенциалом Р промежуточного звена 18, в то время как находящиеся со стороны постоянного напряжения выводы 52 этих трех модулей плечей моста 48 вентильного преобразователя электроэнергии связаны соответственно с отрицательным потенциалом N промежуточного звена 18.
Согласно этой схеме замещения согласно Фиг.3 модуль плеча моста 48 вентильного преобразователя электроэнергии содержит два модуля плечей моста 54, которые включены электрически параллельно. Каждый модуль плеча моста 54 содержит два электрически последовательно включенных отключаемых полупроводниковых ключа 56 и 58, в частности, два биполярных транзистора с изолированным затвором (IGBT= Insulated Gate Bipolar Transistors), которые снабжены каждый соответствующим нулевым вентилем 60 или, соответственно, 62. В тяговой технике тяговые преобразователи выполняют по возможности модульными, причем в качестве самого маленького блока применяют модуль плеча моста 54. В представлении согласно Фиг.3 за счет параллельного включения двух модулей плеча моста 54 получают модуль плеча моста 48 вентильного преобразователя электроэнергии для высокой мощности.
Фиг.4 показывает схему замещения второй формы выполнения соответствующей изобретению дизель-электрической системы привода. По сравнению с формой выполнения согласно Фиг.2 эта форма выполнения содержит предусмотренный со стороны генератора автономный импульсный вентильный преобразователь электроэнергии 12, выполненный из двух автономных импульсных вентильных преобразователей электроэнергии. В этом представлении этот автономный импульсный вентильный преобразователь электроэнергии 12 реализован посредством своих отдельных модулей плечей моста 64 реверсивного двухкомплектного вентильного преобразователя. Схема замещения подобного модуля плеча моста реверсивного двухкомплектного вентильного преобразователя 64 представлена более подробно на Фиг.5. Также при этом выполнении автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии 12 находящиеся со стороны постоянного напряжения выводы 50 трех модулей плечей моста 64 реверсивного двухкомплектного вентильного преобразователя соединены электропроводяще соответственно с положительным потенциалом Р промежуточного звена 18 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6, в то время как находящиеся со стороны постоянного напряжения выводы 52 этих модулей плечей моста 64 реверсивного двухкомплектного вентильного преобразователя соединены соответственно с отрицательным потенциалом N промежуточного звена 18 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6.
Находящиеся со стороны переменного напряжения выводы R, S и Т или, соответственно, R", S' и Т' обоих предусмотренных со стороны генератора автономных импульсных вентильных преобразователей электроэнергии связаны соответственно с дросселем 66 или, соответственно, 68. Посредством дросселей 68 находящиеся со стороны переменного напряжения выводы R', S' и Т' одного автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии посредством силового выключателя 40 связаны соответственно с находящимися со стороны статора выводами 42, 44 и 46 системы статорной обмотки возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора 4. Посредством дросселей 66 находящиеся со стороны переменного напряжения выводы R, S и Т другого автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии связаны, с одной стороны, посредством коммутационного устройства 32 с тормозными резисторами 34, 36 и 38 и, с другой стороны, посредством следующего коммутационного устройства 70 связаны с находящимися со стороны статора выводами 42, 44 и 46 системы статорной обмотки возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора 4. За счет применения двух автономных импульсных вентильных преобразователей электроэнергии, которые со стороны постоянного напряжения связаны с тем же самым промежуточным звеном 18, в качестве находящегося со стороны генератора автономного импульсного вентильного преобразователя электроэнергии 12 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6 и соответствующих дросселей 66 и 68 является возможным торможение двигателем в дизельном двигателе 2, как в случае грузового автомобиля. С помощью этого часть мощности в электрическом тормозе рассеивается через дизельный двигатель 2. За счет этого можно соответственно уменьшать тормозные резисторы 34, 36 и 38.
Модуль плеча моста 64 реверсивного двухкомплектного вентильного преобразователя согласно Фиг.5 содержит как и модуль плеча моста 48 вентильного преобразователя электроэнергии согласно Фиг.3 два модуля плечей моста 54, которые со стороны постоянного напряжения включены электрически параллельно. Со стороны переменного напряжения выводы, например, R и R' остаются разделенными друг от друга. Тем самым три модуля плечей моста 64 реверсивного двухкомплектного вентильного преобразователя образуют согласно Фиг.5 два трехфазных автономных импульсных преобразователя электроэнергии с находящимися со стороны переменного напряжения выводами R, S, Т и R', S' Т'. Со стороны постоянного напряжения эти оба автономных импульсных преобразователя электроэнергии питают промежуточное звено 18 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6.
На Фиг.6 схематически представлена схема замещения третьей формы выполнения дизель-электрической системы привода согласно изобретения. Эта третья форма выполнения отличается от второй формы выполнения дизель-электрической системы привода согласно Фиг.4 тем, что в качестве возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора 4 предусмотрен возбуждаемый постоянными магнитами синхронный генератор 72 с двумя системами обмоток 74 и 76. Выводы 78, 80, 82 со стороны статора системы обмотки 74 являются соединяемыми посредством силового выключателя 40 с находящимися со стороны переменного напряжения выводами R, S и Т автономного импульсного преобразователя электроэнергии, в то время как находящиеся со стороны статора выводы 84, 86 и 88 второй системы статорной обмотки 76 посредством следующего силового выключателя 90 являются соединяемыми с находящимися со стороны переменного напряжения выводами R', S' и Т' другого автономного импульсного преобразователя электроэнергии предусмотренного со стороны генератора автономного импульсного преобразователя электроэнергии 12 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6 дизель-электрической системы привода. Находящиеся со стороны переменного напряжения выводы R, S и Т одного автономного импульсного преобразователя электроэнергии предусмотренного со стороны генератора автономного импульсного преобразователя электроэнергии 12 двухзвенного вентильного преобразователя напряжения 6, кроме того, являются электропроводяще соединяемыми посредством коммутационного устройства 32 с тормозными резисторами 34, 36 и 38. За счет применения возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора 72 с двумя системами статорных обмоток 74 и 76 вместо возбуждаемого постоянными магнитами синхронного генератора 4 с одной системой статорной обмотки по сравнению с формой выполнения дизель-электрической системы привода согласно Фиг.4 экономят шесть дросселей 66 и 68 и их соединение. По сравнению с этим эти обе формы выполнения не отличаются в их функционировании. Это значит, также в случае этой третьей формы выполнения является возможным торможение двигателем в дизельном двигателе 2, как в случае грузового автомобиля. Посредством этого часть мощности торможения рассеивается через дизельный двигатель 2, за счет чего при неизменной мощности торможения дизель-электрической системы привода можно соответственно уменьшать тормозные резисторы 34, 36 и 38. За счет этого требуется соответственно меньшая площадь для встраивания тормозных резисторов 34, 36 и 38.