СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ВХОДЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ, НОСИТЕЛЬ ЗАПИСИ ДЛЯ ЭТОГО СПОСОБА И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГЕ
METHOD TO MAINTAIN CONSTANT VOLTAGE AT DC/AC CONVERTER INPUT, RECORDING MEDIUM FOR SAID METHOD AND ELECTRIFIED TRANSPORT FACILITY

Изобретение относится к способу поддержания постоянного напряжения на входе преобразователя постоянного напряжения в переменное для поддержания магнетизма в асинхронном двигателе, к носителю записи для этого способа и к транспортному средству на электрической тяге.
В настоящем описании термин «магистральная линия питания» используется для обозначения магистральной линии постоянного питания транспортного средства на электрической тяге, которая, с одной стороны, выполнена с возможностью соединения и разъединения с контактной сетью и, с другой стороны, соединена с асинхронным двигателем через преобразователь постоянного напряжения в переменное для обеспечения питания этого двигателя. Эта магистральная линия оборудована блоками временной поддержки постоянного напряжения на самой магистрали, когда на нее не подается питание от контактной сети. Как правило, эти блоки поддержки выполнены на основе конденсаторов и разрядных резисторов.
Магистральную линию постоянного питания называют также «магистралью DC».
Под контактной сетью понимают не только электрические провода, по которым передвигается пантограф транспортного средства на электрической тяге, но также токоподводящий рельс, установленный на земле, по которому скользит контактный башмак электромобильного транспортного средства. В области железнодорожного транспорта этот токоподводящий рельс известен под названием «третьего рельса».
Известен способ торможения транспортных средств, при котором асинхронный двигатель работает в генераторном режиме, отдавая генерируемую электрическую мощность на резисторы или реостаты. Большинство конструкторов предпочитают такой тип электрического или реостатного торможения механическому торможению, так как оно позволяет свести к минимуму затраты по обслуживанию быстроизнашивающихся деталей на таких транспортных средствах.
Во время реостатного торможения, если магистраль DC подключена к контактной сети, наблюдается возврат энергии на контактную сеть. Для некоторых пользователей такой возврат энергии является недопустимым.
С другой стороны, если магистраль DC отключена от контактной сети, постоянное напряжение на этой магистрали постепенно понижается и становится недостаточным для намагничивания двигателя, поэтому реостатное торможение становится невозможным.
Для решения этой проблемы в режиме сводного движения, при котором транспортное средство движется по инерции (свободное движение), а магистраль DC отключена от контактной сети, известные способы позволяют поддерживать постоянное намагничивающее напряжение на этой магистрали DC, выполняя фазу притормаживания.
Эта фаза притормаживания включает:
а) этап намагничивания двигателя при помощи постоянного напряжения, присутствующего на магистрали, затем
б) этап работы двигателя в режиме генератора переменного напряжения и работы преобразователя в режиме выпрямителя переменного напряжения для подзарядки магистрали постоянным напряжением.
В известных способах этап б) длится, пока транспортное средство движется по инерции и пока магистральная линия DC отсоединена от контактной сети. В этом случае двигатель постоянно работает в генераторном режиме, поддерживая достаточное напряжение намагничивания на магистральной линии DC.
Вследствие этого необходимо постоянно снижать скорость транспортного средства, даже если оно движется по инерции.
Задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка при помощи способа, который позволяет свести к минимуму торможение, производимое на электромобильном транспортном средстве, для поддержания намагничивающего напряжения на магистральной линии DC.
В этой связи объектом настоящего изобретения является способ поддержания намагничивающего постоянного напряжения на магистральной линии DC, включающий также:
в) этап остановки преобразователя, когда постоянное напряжение магистральной линии достигает верхнего порогового значения, затем
г) этап поддержания преобразователя в выключенном состоянии, пока постоянное напряжение магистральной линии остается больше минимального постоянного напряжения, намагничивающего асинхронный двигатель, перед тем как вернуться к этапу а).
Когда двигатель работает в генераторном режиме, преобразователь подает постоянное напряжение на магистральную линию DC, которая при этом заряжается, а двигатель осуществляет торможение транспортного средства.
Когда работа преобразователя прекращается, двигатель уже не работает в генераторном режиме и поэтому не производит торможения транспортного средства на электрической тяге. Пока преобразователь остается выключенным, напряжение на магистральной линии DC постепенно понижается, что соответствует разрядке, например, конденсаторов магистральной линии DC. С этого момента, чередуя этапы а, б) и в), г), можно поддерживать постоянное напряжение намагничивания на этой магистральной линии, не прибегая к постоянной работе двигателя в генераторном режиме. Это сводит к минимуму торможение электромобильного транспортного средства в режиме свободного движения.
Кроме того, в этом способе меняется только управление преобразователем таким образом, чтобы не прибегать к использованию дополнительного оборудования для зарядки магистральной линии DC непосредственно перед реостатным торможением.
Наконец, выключение преобразователя позволяет также блокам временной поддержки постоянного напряжения на магистральной линии разряжаться таким образом, чтобы не прибегать к использованию для этой цели вспомогательного оборудования или реостата.
Варианты осуществления этого способа могут характеризоваться следующими отличительными признаками:
r
r
- круговую частоту сдвига двигателя во время этапа б) выбирают равной 1/T, где Tявляется постоянной времени двигателя;
- верхнее пороговое значение выбирают меньшим минимального напряжения питания вспомогательного оборудования;
- во время этапа б) преобразователем управляют таким образом, чтобы энергия, генерируемая двигателем, превышала минимальную энергию, необходимую для компенсации потерь от нагрева двигателя, и была меньше 1,05-кратного значения этой минимальной энергии;
- этапы а)-г) повторяют, только пока транспортное средство на электрической тяге движется по инерции со скоростью, превышающей заранее определенное пороговое значение скорости, позволяющей подзаряжать магистральную линию.
Варианты осуществления способа поддержания намагничивающего постоянного напряжения характеризуются также следующими преимуществами:
r
r
- установка круговой частоты сдвига, равной 1/T, где T является постоянной времени двигателя, снижает потери от нагрева двигателя и в результате сводит к минимуму торможение транспортного средства;
- возможность не прибегать к питанию вспомогательного оборудования, соединенного с магистральной линией DC, также сводит к минимуму торможение транспортного средства во время его движения по инерции;
- генерирование двигателем только электрической энергии, не превышающей 1,05-кратного значения энергии, необходимой для компенсации потерь от нагрева двигателя, позволяет свести торможение к значению, не существенному относительно движения по инерции транспортного средства, и избежать, таким образом, ощущаемых водителем или пассажирами перебоев во время чередования этапов б) и г).
Объектом настоящего изобретения является также носитель записи данных, содержащих команды для осуществления способа поддержания намагничивающего постоянного напряжения асинхронного двигателя на магистральной линии DC, когда эти команды выполняются электронно-вычислительным устройством.
Объектом настоящего изобретения является также электромобильное транспортное средство, выполненное с возможностью применения вышеуказанного способа поддержания, при этом электромобильное транспортное средство содержит:
- по меньшей мере, один асинхронный двигатель, вращающий ведущие колеса;
- управляемый преобразователь постоянного напряжения в переменное, выполненное с возможностью работы поочередно в режиме инвертора постоянного напряжения для питания двигателя и в режиме выпрямителя постоянного напряжения;
- магистральную линию питания постоянным током, выполненную с возможностью подключения и отключения от контактной сети и соединенную с двигателем через преобразователь для питания преобразователя постоянным напряжением, при этом магистральная линия оборудована устройством временной поддержки постоянного напряжения на магистральной линии, когда магистральная линия отключена от контактной сети;
- вычислительное устройство, выполненное с возможностью подачи соответствующих команд для:
а) намагничивания двигателя, затем
б) работы двигателя в генераторном режиме и работы преобразователя в режиме выпрямителя во время свободного движения, когда магистральная линия отсоединена от контактной сети и электромобильное транспортное средство движется по инерции;
при этом вычислительное устройство во время движения по инерции может:
в) подавать команду на выключение преобразователя, когда постоянное напряжение магистральной линии достигает верхнего порогового значения;
г) поддерживать преобразователь выключенным, пока постоянное напряжение магистральной линии остается больше минимального постоянного напряжения намагничивания асинхронного двигателя, прежде чем повторить команды а) и б).
Варианты выполнения этого электромобильного транспортного средства могут характеризоваться следующим отличительным признаком:
- устройство временной поддержки постоянного напряжения содержит, по меньшей мере, один конденсатор, выполненный с возможностью временного поддержания постоянного напряжения на магистральной линии, когда эта магистральная линия отключена от контактной сети.
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид конфигурации электромобильного транспортного средства, оборудованного магистральной линией DC;
фиг.2 - блок-схема способа поддержания постоянного напряжения намагничивания асинхронного двигателя на магистральной линии DC транспортного средства, показанного на фиг.1.
На фиг.1 показано транспортное средство 2 на электрической тяге, оборудованное, по меньшей мере, одним асинхронным двигателем, вращающим ведущие колеса 13 этого транспортного средства. Таким транспортным средством является, например, электровоз, соединенный с контактной сетью 4 через пантограф 6.
Для упрощения чертежа показана только одна система питания асинхронного двигателя 10, выполненного с возможностью вращения колес 13.
Другие системы питания асинхронных двигателей транспортного средства 2 могут быть, например, идентичными описанной в настоящей заявке системе.
Система питания двигателя 10 содержит:
- управляемый преобразователь 12 постоянного напряжения в переменное, выполненный с возможностью питания обмоток статора двигателя 10;
- магистральную линию DC 14, соединенную с преобразователем 12 для подачи на него постоянного напряжения;
- блок 16 соединения магистральной линии 14 с контактной сетью 4.
Преобразователь 12 выполнен с возможностью работы поочередно в режиме инвертора постоянного напряжения для подачи на двигатель 10 трехфазного напряжения и работы в режиме выпрямителя переменного напряжения для подачи на магистральную линию 14 выпрямленного напряжения, полученного из трехфазного напряжения, генерируемого двигателем 10, когда он работает в генераторном режиме.
Магистральная линия DC 14 состоит из двух электрических проводов 20 и 21. Концы электрических проводов 20, 21 соединены с соответствующими входами преобразователя 12. Противоположные концы электрических проводов 20 и 21 соединены с соответствующими выходами блока 16 соединения.
Магистральная линия DC 14 содержит также, по меньшей мере, одно устройство временной поддержки постоянного напряжения между проводами 20 и 21. В данном случае для упрощения чертежа показано только одно устройство 24 временной поддержки постоянного напряжения. Устройство 24 содержит, например, конденсатор 26, подключенный между проводами 20 и 21, и резистор 28 разрядки конденсатора, параллельно соединенный с клеммами конденсатора 26. Резистор 28 выбирают, например, с возможностью снижения на 50 вольт в секунду постоянного напряжения на клеммах конденсатора 26.
bus
bus
DC
Постоянное напряжение V на магистральной линии 14 измеряют вольтметром 30. Напряжение V равно 1800 V, когда магистральная линия 14 подключена к контактной сети 4.
Блок 16 соединения позволяет производить электрическое соединение и разъединение магистральной линии 14 и контактной сети 4. Для этого один вход блока 16 соединен через пантограф 6 с контактной сетью 4. Блок 16 содержит, например, выключатель и, в случае необходимости, выпрямитель напряжения, если на контактную сеть 4 подается переменное напряжение.
bus
h
DC
DC
Магистральную линию 14 используют также для питания вспомогательного оборудования транспортного средства 2, такого, например, как нагревательное устройство, вентиляционное устройство или водяные насосы. Для упрощения на чертеже показано только вспомогательное оборудование 40. Оборудование 40 соединено с проводами 20 и 21 через преобразователь 42 постоянного напряжения в постоянное. Этот преобразователь 42 выполнен с возможностью автоматического отключения питания оборудования 40, когда напряжение V становится меньше заранее определенного порогового значения S. Например, для магистральной линии 14, на которой постоянное напряжение обычно равно 1800 V, пороговое значение выбирают равным 900 V, то есть половине нормального постоянного напряжения.
Магистральная линия 14 соединена также с реостатом 46 через управляемый выключатель 48.
Этот реостат предназначен для рассеяния энергии, вырабатываемой двигателем 10 во время реостатного торможения.
На транспортном средстве 2 установлено также электронно-вычислительное устройство 50, выполненное с возможностью подачи команды на преобразователь 12 для осуществления способа поддержания намагничивающего напряжения, представленного на фиг.2. Это вычислительное устройство выполнено также с возможностью управления выключателем 48.
s.cons
х
Для управления преобразователем 12 вычислительное устройство содержит обычный модуль 52 управления путем модуляции ширины импульсов. Этот модуль 52 содержит два входа: один для приема заданного значения частоты F статора для двигателя, а другой - для приема значения степени Т модуляции.
Частота статора является частотой, с которой магнитное поле вращается внутри двигателя 10. Эта частота соответствует скорости синхронизма.
Для осуществления способа, показанного на фиг.2, вычислительное устройство 50 соединено с вольтметром 30 и с датчиком 56 механической частоты ротора. Механическая частота соответствует скорости вращения вала двигателя 10.
В данном случае вычислительное устройство 50 является обычным программируемым вычислительным устройством, выполненным с возможностью исполнения команд, записанных на носителе 58 записи данных. Для этого носитель 58 содержит команды для осуществления способа, показанного на фиг.2, когда эти команды исполняются вычислительным устройством 50.
Далее со ссылкой на фиг.2 следует описание работы вычислительного устройства 50 и системы питания двигателя 10.
Транспортное средство 2 может переключаться в следующие три рабочие режима:
- в тяговый режим 62, во время которого двигатель приводит во вращение ведущие колеса 13;
- в режим 63 свободного движения, во время которого транспортное средство движется по инерции и магистральная линия 14 отсоединена от контактной сети 4;
- в режим 64 реостатного торможения, во время которого происходит торможение транспортного средства 2.
В тяговом режиме магистральная линия 14 соединена с контактной сетью 4 через блок 16. В этом тяговом режиме преобразователь 12 работает в режиме инвертора для питания двигателя трехфазным напряжением, получаемым из постоянного напряжения, присутствующего на магистральной линии 14.
bus
min
bus
Когда транспортное средство 2 движется под гору и необходимо его притормаживать, целесообразно перейти в режим 63 свободного движения. В этом режиме свободного движения на этапе 70 блок 16 отключает магистральную линию 14 от контактной сети 4. После этого во время этапа 72 вычислительное устройство 50 останавливает работу преобразователя 12. Когда преобразователь 12 выключен, питание на двигатель не подается, и он размагничивается. Затем вычислительное устройство осуществляет этап 74 поддержания преобразователя 12 в выключенном состоянии, пока напряжение V превышает минимальное напряжение V намагничивания двигателя 10. Во время этого этапа 74 напряжение V постепенно понижается, так как конденсатор 26 разряжается через резистор 28.
bus
min
bus
bus
min
Как только напряжение V, измеренное вольтметром 30, становится меньше порогового значения V, на этапе 76 вычислительное устройство 12 подает команду на преобразователь 12 для намагничивания двигателя 10 за счет напряжения V, остающегося на магистральной линии 14. В этот момент напряжение V равно, например, пороговому значению V.
С самого начала намагничивания двигателя, не дожидаясь полного намагничивания двигателя, вычислительное устройство 50 подает команду на преобразователь, который переключает двигатель 10 на работу в генераторном режиме на этапе 78. Во время этапа 78 вычислительное устройство 50 подает также команду на преобразователь 12 для его переключения в режим выпрямителя. На этапах 76 и 78 двигатель 10 вырабатывает переменное трехфазное напряжение, которое выпрямляется преобразователем 12 для подачи постоянного напряжения на магистральную линию DC 14, что позволяет подзарядить устройство 24.
s.cons
g
g
r
r
d
q
В частности, во время этапа 78 заданное значение частоты F выбирают равным механической частоте, измеренной датчиком 56, за вычетом круговой частоты сдвига F. В этом варианте осуществления круговую частоту F выбирают равной 1/T, где Tявляется постоянной времени двигателя. За счет такого выбора круговой частоты сдвига прямой ток I и ток I, сдвинутый по фазе на 90°, используемые для управления двигателем 10, равны между собой, что сводит к минимуму потери от нагрева. Под потерей от нагрева здесь следует понимать одновременно потери от эффекта Джоуля и потери от трения.
х
Во время этапа 78 заданное значение степени модуляции Т, направляемое на модуль 52, определяется следующим отношением:
где «·» - знак умножения,
«/» - знак деления,
bus
V - постоянное напряжение на магистральной линии 14,
ac
V - эффективное переменное напряжение между фазами, генерируемое двигателем 10.
Во время этапа 78 вычислительное устройство управляет двигателем через преобразователь 12 таким образом, чтобы количество энергии, вырабатываемой двигателем 10, как раз превысило минимальное количество энергии, необходимое для компенсации потерь от нагрева двигателя 10 и не превышало 1,05-кратного значения этой минимальной энергии. Таким образом, количество энергии, вырабатываемое двигателем 10, является слегка избыточным по отношению к количеству энергии, потребляемому самим двигателем 10.
Этот избыток энергии позволяет зарядить конденсатор 26. Кроме того, поскольку этот избыток энергии является незначительным, он соответствует минимальному торможению двигателя 10 таким образом, чтобы водитель транспортного средства не ощутил перебоев, когда двигатель 10 начинает работать в генераторном режиме.
bus
h
Во время этапа 82 вычислительное устройство 50 проверяет, чтобы напряжение V было меньше порогового значения S. При подтверждении поддерживается работа двигателя в генераторном режиме и работа преобразователя 12 в режиме выпрямителя во время поддержания этапа 72.
В противном случае вычислительное устройство возвращается к этапу 72.
h
Таким образом, поскольку напряжение на магистральной линии 14 не превышает порогового значения S, на вспомогательное оборудование, такое как оборудование 40, питание не подается, что позволяет ограничить количество энергии, отбираемом на двигателе, работающем в генераторном режиме, и, следовательно, ограничить торможение транспортного средства 2.
Этапы 72-82 повторяются, пока транспортное средство двигается по инерции со скоростью, достаточной, чтобы двигатель 10 подзаряжал конденсатор 26 во время этапа 78. Например, скорость транспортного средства 2 должна превышать заранее определенное пороговое значение на 10 км/час. Если скорости транспортного средства 2 не достаточно для подзарядки конденсатора 26, транспортное средство переходит в классический рабочий режим, используя, например, фазу притормаживания.
bus
Во время режима движения по инерции водитель транспортного средства 2 в любой момент может перейти в режим реостатного торможения. Для этого водитель может, например, переместить ручку тормоза. В ответ на это перемещение вычислительное устройство 50 осуществляет этап 86 намагничивания двигателя 10 за счет напряжения V, присутствующего на магистральной линии 14. Этот этап 86, например, идентичен этапу 76. Затем, как только двигатель 10 начинает намагничиваться, вычислительное устройство 30 на этапе 88 подает команду на преобразователь 12 для начала работы двигателя 10 в генераторном режиме и работы преобразователя 12 в режиме выпрямителя.
Параллельно, во время этапа 92 вычислительное устройство 50 подает команду на замыкание выключателя 48 для соединения реостата 46 с магистральной линией DC. В этом положении трехфазное напряжение, генерируемое двигателем 10, преобразуется преобразователем 12 в постоянное напряжение на магистральной линии DC. Это постоянное напряжение рассеивается реостатом 46 в виде тепла, что позволяет произвести торможение транспортного средства 2.
Этапы 88 и 92 продолжаются, пока водитель продолжает процесс торможения.
h
Возможны многие другие варианты выполнения транспортного средства 2 и осуществления способа, показанного на фиг.2. Например, пороговое значение, начиная от которого вычислительное устройство 50 прекращает подзарядку магистральной линии 14 на этапе 82, может выбираться отличным от порогового значения S.