УСТРОЙСТВО АВАРИЙНОГО РЕОСТАТНОГО ТОРМОЖЕНИЯ С ДВУХПОЛЮСНЫМ РЕЗИСТИВНЫМ УЗЛОМ И С ПРИВОДОМ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ
DEVICE FOR EMERGENT RHEOSTAT BRAKING WITH TWO-POLE RESISTIVE UNIT AND PERMANENT MAGNET DRIVE

Изобретение относится к устройству аварийного электрического торможения, предназначенному для транспортного средства на электрической тяге, например, для железнодорожного транспортного средства.
Аварийное торможение обеспечивает надежное создание необходимого тормозного усилия.
В области железнодорожных транспортных средств в основном различают два типа торможения: рабочее торможение и аварийное торможение.
Рабочее торможение является торможением, наиболее часто применяемым во время эксплуатации железнодорожных транспортных средств. Оно может быть модулировано между минимальным значением усилия, близким к 0, и максимальным значением усилия. Сама система рабочего торможения может иметь несколько вариантов в зависимости от поездов: только электрический тормоз, только механический тормоз или комбинированный электрический и механический тормоз. Она предназначена для осуществления всех «нормальных» остановок и замедлений поезда, а также для сдерживающего торможения на уклонах. Однако оно не является аварийным в том смысле, что использует много электрических, электронных, механических, пневматических или гидравлических компонентов, в которых может возникнуть неисправность и, следовательно, которые могут привести к усилию торможения, отличному от желаемого, и даже, учитывая новые тяговые цепи со статической коммутацией тяга/торможение, к тяговому усилию.
Аварийное торможение, как показывает его название, используют только в экстренных случаях. Этот экстренный случай может быть вызван либо внешними экстренными условиями, либо неисправностью рабочего тормоза. Задачей этого тормоза является максимально быстрая и максимально надежная остановка поезда. Этот тормоз не является модулируемым, но является аварийным, то есть возможность его выхода из строя является чрезвычайно низкой. Следовательно, этот тормоз должен использовать как можно меньше компонентов. Как правило, он является чисто механическим, но это требует его соответствующей размерности, что может отрицательно сказаться на его стоимости и массе, в частности, для высокоскоростного поезда, в котором рассеиваемая энергия торможения является достаточно большой. Поэтому представляет интерес реализация электрического аварийного торможения.
Согласно изобретению аварийное электрическое торможение основано на том, что электрический привод с постоянными магнитами не нуждается в каких-либо средствах для насыщения потока и, следовательно, для создания устойчивого момента во время своего вращения, лишь бы на него поступал ток.
Один из типов аварийного электрического торможения описан в немецкой патентной заявке, опубликованной под номером DE 10160612 А1. Устройство, применяющее это торможение, содержит сеть из трех тормозных резисторов, соединенных звездой, выполненное с возможностью соединения через коммутатор электромеханического типа, содержащий набор реле, с трехфазным электромеханическим приводом.
Техническая проблема состоит в габаритах этого устройства, в частности, трех тормозных резисторов.
В этой связи объектом настоящего изобретения является устройство аварийного электрического торможения, предназначенное для транспортного средства на электрической тяге, в частности для железнодорожного транспортного средства, содержащее
вращающуюся электромеханическую машину с постоянными магнитами и с электрическими контактами,
резистивное устройство, создающее тормозной момент,
электромеханический коммутатор, выполненный с возможностью аварийного соединения электрических контактов машины с устройством, создающим тормозной момент,
причем резистивное устройство, создающее тормозной момент содержит, с одной стороны, двухполюсный узел, содержащий, по меньшей мере, один диссипативный резистор, при этом узел имеет два соединительных контакта и образует общую терминальную двухполюсную нагрузку тока для всех контактов машины, и, с другой стороны, средства преобразования токов, поступающих от всех контактов, в один ток, подаваемый на единственные контакты двухполюсного узла, при этом указанные средства преобразования не содержат активных силовых выключателей.
Согласно предпочтительным вариантам выполнения, тормозное устройство содержит один или несколько следующих характерных особенностей:
- средства преобразования содержат диодный выпрямительный мост, установленный между электромеханическим коммутатором и двухполюсным узлом, состоящим, по меньшей мере, из одного диссипативного резистора;
- устройство содержит преобразователь, содержащий, по меньшей мере, один тормозной резистор преобразователя, и, по меньшей мере, один резистор преобразователя является диссипативным резистором двухполюсного узла;
- только один тормозной резистор преобразователя является резистором двухполюсного узла, и преобразователь содержит два вспомогательных коммутационных реле, соединенных с двух сторон тормозного резистора преобразователя, образующего резистор двухполюсного узла, и выполненные с возможностью отсоединения и, соответственно, соединения тормозного резистора преобразователя соответственно со средствами преобразования;
- двухполюсный узел из, по меньшей мере, одного диссипативного резистора, содержит только один диссипативный резистор;
- двухполюсный узел из, по меньшей мере, одного диссипативного резистора, содержит только два диссипативных резистора;
- устройство содержит тяговый инвертор, и средства преобразования являются трехфазным выпрямительным мостом, образованным диодами тягового инвертора;
- двухполюсный узел содержит соединенные последовательно резистор и контактор, при этом узел подключен параллельно к тяговому инвертору; и
- резистор представляет собой часть или весь тормозной резистор реостатного тормозного преобразователя.
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания вариантов выполнения, представленных исключительно в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:
фиг.1 - схематичный вид первого варианта выполнения аварийного электрического тормоза, интегрированного в электрическую тяговую цепь;
фиг.2 - схематичный вид второго варианта выполнения аварийного электрического тормоза, интегрированного в электрическую тяговую цепь;
фиг.3 - схематичный вид третьего варианта выполнения аварийного электрического тормоза, являющегося комбинацией первого и второго вариантов выполнения;
фиг.4 - схематичный вид четвертого варианта выполнения аварийного электрического тормоза, интегрированного в электрическую тяговую цепь.
На фиг.1 показан первый вариант выполнения так называемого аварийного электрического тормоза, интегрированного в электрическую тяговую цепь 1.
Электрическая тяговая цепь 1 питается от контактной линии (или от третьего рельса) 2 высокого напряжения, показанной в виде массы 4, соединенной с землей.
Электрическая тяговая цепь 1 содержит пантограф (или скользящий контакт) 6 для отбора электрической энергии от контактной линии 2, за которым следует линейный прерыватель 8, выполняющий функцию главного выключателя/контактора между тяговой цепью 1 и контактной линией 2.
Электрическая тяговая цепь 1 содержит также вращающуюся электромеханическую машину 10, выполненную с возможностью получения питания от силового электронного преобразователя 12.
Вращающаяся электромеханическая машина 10 содержит в данном случае статор трехфазного питания, оборудованный входными электрическими контактами 13, 14, 15, и ротор, возбуждение которого обеспечивается постоянным магнитом.
В режиме электрической тяги электромеханическая машина 10 работает в качестве привода, тогда как в режиме электрического торможения она работает в качестве генератора напряжения.
Силовой электронный преобразователь 12 содержит в виде каскада от прерывателя 8 к приводу 10 линейный фильтр 16, реостатный тормозной преобразователь 17 и инвертор 18 в данном случае с трехфазным выходом, выполненный с возможностью подачи питания на привод 10 через электромеханический соединительный коммутатор 20.
Все элементы тяговой цепи 1 соединены с общей массой 4 через линию 21 обратного хода массы.
Кроме способности работать в качестве тяговой цепи, электрическая тяговая цепь 1 выполнена с возможностью работать также в качестве первого неаварийного электрического тормоза, называемого рабочим тормозом.
Первый так называемый рабочий электрический тормоз содержит компоненты тяговой цепи 1, а именно, генератор 10, инвертор 18, конфигурированный в режиме выпрямителя, реостатный тормозной преобразователь 17, линейный фильтр 16 и электромеханический коммутатор 20.
Второй так называемый аварийный электрический тормоз, кроме вращающейся электромеханической машины 10, содержит электромеханический соединительный коммутатор 20 и резистивное устройство 22 диссипативного типа для создания тормозного момента.
Линейный фильтр 16 содержит в данном случае классическую структуру «LC», образованную линейной индукционной катушкой 28, установленной последовательно между прерывателем 8 и линейным входом 29 преобразователя 17, и конденсатором 30, электрически подключенным параллельно рядом с входом 29 преобразователя 17.
Реостатный тормозной преобразователь 17 содержит силовой электронный выключатель 32 типа IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor или биполярный транзистор с изолированным затвором), например, выполняющий роль регулятора и последовательно соединенный с реостатным тормозным резистором 34.
Реостатный тормозной преобразователь 17 содержит также диод свободного колеса 36, параллельно подключенный к тормозному резистору 34.
Инвертор 18 содержит три трехфазные переменные выходные линии 37, 38, 39, каждая из которых выполнена с возможностью соединения соответственно с входным электрическим контактом 13, 14, 15 фазы статора привода 10 при помощи соединения, реализуемого при помощи электромеханического коммутатора 20.
Инвертор 18 выполнен в виде классической конструкции с 6 электронными силовыми выключателями, соединенными по трем фазам, подключенным между выходом входного фильтра 16 и обратной линией 21 массы.
Каждый электронный силовой выключатель 42, 44, 46, 48, 50, 52 содержит соответственно силовой транзистор типа IGBT, например, 54, 56, 58, 60, 62, 64, управляемый по состоянию пропускания/запирания при помощи напряжения затвора, при этом каждый силовой транзистор связан с диодом свободного колеса 66, 68, 70, 72, 74 и 76, установленным на нем путем противоположно параллельного монтажа.
На фиг.1 стрелка каждого силового транзистора показывает направление прохождения тока, когда этот транзистор является пропускающим.
Каждый силовой выключатель 42, 44, 46 соответственно связан с силовым выключателем 48, 50, 52, при этом выход одного из первых соединен с входом одного из вторых и образует выход инвертора, при этом каждый выход соединен соответственно с выходной линией 37, 38, 39 инвертора.
Цепи управления электронных силовых выключателей на фиг.1 не показаны, и предполагается, что они выполнены с возможностью обеспечения синхронной тяговой работы электромеханической машины 10 в режиме привода.
Электромеханический коммутатор 20 содержит набор из трех входных контактных площадок 90, 92, 94, соединенных с тремя входными контактами 13, 14 и 15 фаз статора привода 10.
Электромеханический коммутатор 20 содержит также первую группу выходных контактных площадок 96, 98, 100, соединенных соответственно с выходными линиями 37, 38, 39 инвертора 18.
Электромеханический коммутатор 20 содержит также вторую группу электрически изолированных выходных контактных площадок 102, 104 и 106, выполненных с возможностью соединения соответственно с входными контактными площадками 90, 92, 94 для изолирования привода 10 от инвертора 18.
Электромеханический коммутатор 20 содержит также третью группу выходных контактных площадок 108, 110 и 112, при этом каждая выходная контактная площадка 108, 110 и 112 соединена соответственно с входом 114, 116 и 118 устройства 22, создающего тормозной момент аварийного электрического тормоза.
Электромеханический коммутатор 20 содержит командный вход 119, выполненный с возможностью приема команды коммутации, позволяющий коммутировать по выбору все электрические соединения, выполненные в виде механических контактных элементов, от входных контактных площадок 90, 92 и 94 на выходные контактные площадки между первой группой выходных контактных площадок, второй группой выходных контактных площадок и третьей группой выходных контактных площадок.
Поскольку электромеханический коммутатор 20 состоит из пассивных элементов в ограниченном числе, он является защищенным и надежным.
Устройство 22, создающее тормозной момент, образовано классическим диодным мостом 120, конфигурированным пассивно в виде выпрямительного моста, с тремя входами 114, 116 и 118, выполненными с возможностью получения питания, в данном случае трехфазного питания, и единым терминальным двухполюсным резистором 122 нагрузки, подключенным между двумя единственными выходами 124 и 126 диодного моста. В данном случае диодный мост состоит из шести диодов 130, 132, 134, 136, 138 и 140.
Во время работы в тяговом режиме электромеханическая машина 10 работает как привод, и в этом случае электромеханический коммутатор 20 конфигурирован таким образом, чтобы выходные контактные площадки первой группы были соединены с входными контактными площадками 90, 92, 94. Таким образом, инвертор 18 питает привод 10 синусоидальным током, синхронизированным со скоростью привода.
Во время рабочего торможения электромеханический коммутатор 20 сохраняет то же состояние, что и в режиме тяги.
Инвертор 18 конфигурирован для работы в режиме выпрямителя, и преобразователь 17 управляется таким образом, чтобы направлять на контактную линию 6 часть мощности торможения, которую может принять эта линия, при этом остальная часть этой мощности торможения рассеивается в резисторе 34.
Во время аварийного электрического торможения электромеханический коммутатор 20 последовательно переключается на вторую группу, затем на третью группу выходных площадок таким образом, чтобы изолировать привод 10 от силового преобразователя 12, а затем соединить каждый контакт 13, 14, 15 вращающейся машины 10, работающей в режиме генератора, с устройством 22, создающим тормозной момент, через соответствующие входы 114, 116 и 118.
После выпрямления переменных токов на выходе генератора 10 выпрямительный диодный мост 120 питает постоянным током единственный резистор 122, который рассеивает электрическую энергию в виде тепла за счет эффекта Джоуля.
Преимуществом использования только одного или нескольких резисторов 122 на двух единственных выходных контактах выпрямительного моста является упрощение резистивной электрической схемы и уменьшение числа резисторов одинакового значения, обычно находящихся между каждой парой фаз (монтаж многоугольником) или последовательно на каждой фазе (монтаж звездой).
Поскольку место, занимаемое диодным выпрямительным мостом, является незначительным по сравнению с местом, занимаемым резистором и структурой, образованной первым вариантом выполнения, и может быть использовано также для любого числа фаз статора привода за счет добавления в мост диодов, использование только одного резистора нагрузки позволяет сэкономить место.
На фиг.2 показан второй вариант выполнения аварийного электрического тормоза, интегрированного в электрическую тяговую цепь.
Тяговая цепь 1 аналогична цепи, показанной на фиг.1, но отличается тем, что реостатный тормозной резистор 34 преобразователя 17, показанный на фиг.1, заменен узлом из двух последовательно соединенных резисторов 144, 146, причем резистор, ближайший к обратной линии 21 массы, в данном случае резистор 146, служит резистором нагрузки для аварийного электрического тормоза, и по обе стороны резистора 146 установлены два электромеханических коммутатора 148, 150, при этом коммутатор 148 позволяет соединять контакт резистора 146 либо с резистором 144, либо с выходом 124 диодного моста 120 аварийного электрического тормоза, а другой коммутатор 150 позволяет соединять другой контакт резистора 146 либо с выходом 126 диодного моста 120 аварийного электрического тормоза, либо с обратной линией 21 массы преобразователя.
Таким образом, благодаря наличию двух коммутаторов 148, 150, резистор 146 может быть соединен либо с контактами выпрямительного моста аварийного электрического тормоза и выполнять, таким образом, роль резистора 122, показанного на фиг.1, либо последовательно с резистором 144 для образования тормозного резистора преобразователя 17 (как резистор 34, показанный на фиг.1).
Частным случаем этого второго варианта выполнения является отсутствие резистора 144. В этом случае резистор 146 выполняет одновременно роль резистора 34 реостатного преобразователя, показанного на фиг.1, и резистора 122 устройства 22, создающего тормозной момент, показанного на фиг.1.
Работа в режиме тяги и в режиме рабочего торможения идентична работе, описанной со ссылками на фиг.1.
Во время аварийного электрического торможения цикл коммутации выходных контактных площадок электромеханического коммутатора 20 идентичен циклу, описанному для фиг.1.
Параллельно с коммутацией электромеханического коммутатора 20 два коммутатора 148, 150 отсоединяют резистор 146 от преобразователя 17 и соединяют его с контактами 124,126 выпрямительного моста 120.
Таким образом, выпрямительный диодный мост 120 питает постоянной электрической энергией единый резистор 146, который рассеивает электрическую энергию торможения в виде тепла за счет эффекта Джоуля.
Конструкция, показанная на фиг.2, обеспечивает еще большую экономию места на тормозных резисторах, так как часть и даже весь резистор реостатного преобразователя повторно используется для аварийного торможения.
Относительное увеличение занятого места в результате использования двух электромеханических коммутаторов 148, 150 является незначительным по сравнению с дополнительным выигрышем места, полученным за счет повторного использования резистора.
Выигрыш является максимальным, когда аварийное торможение использует только резистор реостатного преобразователя, то есть когда резистор 144 отсутствует. В этом случае для аварийного тормоза не требуется никакого дополнительного резистора.
Уровень безопасности схемы, показанной на фиг.2, эквивалентен уровню безопасности схемы на фиг.1 в том смысле, что используются только пассивные электромеханические коммутаторы, а именно коммутаторы 20, 148 и 150, и что соединение с преобразователем является идеально изолированным.
Версия этого второго варианта выполнения состоит в параллельном подключении резисторов 144 и 146 вместо их последовательного соединения, показанного на фиг.2. В этом случае коммутатор 148 позволяет соединять один из контактов резистора 146 либо с контактом резистора 144 со стороны выключателя 32, либо с выходом 124 диодного моста 120 аварийного электрического тормоза, а коммутатор 150 позволяет соединять другой контакт резистора 146 либо с контактором резистора 144 со стороны обратной линии 21 массы, либо с выходом 124 диодного моста 120 аварийного электрического тормоза.
На фиг.3 показан третий вариант выполнения аварийного электрического тормоза, дополняющий первый и второй варианты выполнения, показанные на фиг.1 и 2.
Тяговая цепь 1 аналогична показанной на фиг.1, но отличается тем, что два вспомогательных электромеханических коммутатора 152 и 154, подключенные соответственно к контактам единственного реостатного тормозного резистора 156 преобразователя 17, выполнены с возможностью отсоединения резистора 156 от обратной линии 21 массы и его последовательного соединения с внешним резистором 158, постоянно подключенным к диодному мосту 120 на входе 126 и на выходе вспомогательного коммутатора 154.
Резистор нагрузки устройства 22, создающего тормозной момент аварийного электрического тормоза, состоит из внешнего резистора 158 и единственного резистора 156 реостатного тормоза преобразователя 17.
Работа в режиме тяги и в режиме рабочего торможения идентична работе, описанной со ссылками на фиг.1 и 2.
Во время аварийного электрического торможения цикл коммутации выходных контактных площадок электромеханического коммутатора 20 идентичен циклу, описанному для фиг.1 и 2.
Параллельно с коммутацией электромеханического коммутатора 20 два коммутатора 152, 154 отсоединяют резистор 156 от преобразователя 17 и соединяют один из его концов с внешним резистором 158, соединенным с контактом 126 выпрямительного моста.
Таким образом, выпрямительный диодный мост 120 питает постоянной электрической энергией два последовательно соединенных резистора 156, 158, которые рассеивают электрическую энергию торможения в виде тепла за счет эффекта Джоуля.
Хотя к резистору 156 преобразователя добавляется внешний резистор 158, за счет недостаточного значения последнего в случае использования аварийного торможения на высокой скорости такая конструкция позволяет еще сэкономить место по сравнению с конструкцией, показанной на фиг.1, за счет повторного использования резистора преобразователя.
Степень безопасности тоже идентична первому и второму вариантам выполнения.
На фиг.4 показан четвертый вариант выполнения аварийного электрического тормоза, интегрированного в тяговую электрическую цепь 1, но при этом его степень безопасности немного ниже по сравнению со степенью безопасности первого, второго и третьего вариантов выполнения.
Электрическая тяговая цепь 1 аналогична цепи согласно трем вариантам выполнения и отличается от цепи, показанной на фиг.1, тем, что:
- электромеханический коммутатор 20 с тремя группами выходных контактных площадок заменен электромеханическим коммутатором 150, содержащим только первую и вторую группы выходных контактных площадок;
- устройство 22, создающее тормозной момент в данном случае содержит:
- мост с диодами свободного колеса 66, 68, 70, 72, 74, 76 инвертора 18,
- резистор 162 нагрузки, последовательно соединенный с электромеханическим контактором 163, при этом весь узел подключен между преобразователем 17 и инвертором 18,
- цепь 164 блокировки, позволяющая аварийно блокировать силовые выключатели 54, 56, 58, 60, 62, 64 инвертора 18 и 32 преобразователя 17 и замкнуть контактор 163.
Электромеханический коммутатор 160 предназначен для отсоединения привода 10 от инвертора 18 в случае короткого замыкания последнего. Этот коммутатор в этом случае является коммутатором, классически используемым в этом типе тяговых цепей и в рамках изобретения изменений не претерпел.
Работа в режиме тяги и в режиме рабочего торможения идентична работе, описанной со ссылками на фиг.1, 2 и 3.
Во время аварийного электрического торможения электромеханический коммутатор 20 остается в состоянии, при котором электромеханическая машина 10 соединена с инвертором 18.
Блокировочные цепи 164 подают команду на шесть силовых транзисторов 54, 56, 58, 60, 62, 64 инвертора 18 и на силовой транзистор 32 для их перевода в состояние пропускания.
Параллельно цепи 164 подают команду на замыкание вспомогательного электромеханического коммутатора 163.
Таким образом, силовой инвертор 18 в данном случае играет роль простого выпрямительного моста, состоящего из диодов 66, 68, 70, 72, 74, 76. Блокировочные цепи 164 не дают инвертору 18 работать в режиме инвертора.
Таким образом, мост из диодов свободного колеса 66, 68, 70, 72, 74, 76 играет роль выпрямительного моста 120, показанного на фиг.1, 2 и 3; он направляет энергию от генератора 10 в резистор 162 нагрузки, который в этом случае соединен с мостом.
Преимуществом этого решения по сравнению с тремя предыдущими является то, что оно не требует никакого добавления компонентов силовой электроники, так как выпрямительный мост реализуется существующими диодами свободного колеса тягового инвертора. Вместе с тем, оно является менее безопасным, чем предыдущие, поскольку аварийное торможение невозможно применять в случае выхода из строя инвертора 18 из-за короткого замыкания.
Аналогично версиям варианта выполнения, показанного на фиг.1, описанным со ссылками на фиг.2 и 3, можно предусмотреть вариант выполнения, показанный на фиг.4, согласно которому резистор 162 реализован при помощи набора из 2 контакторов за счет части резистора 34 (как на фиг.2) или, наоборот, резистор 162 образован из резистора 34, последовательно соединенного с дополнительным резистором (как на фиг.2). В частном случае этот резистор 162 образован только из резистора 34 (как в случае, когда резистор 144, показанный на фиг.2, отсутствует). В этом случае аварийный тормоз не требует добавления контактора 163 и цепи 164 управления по сравнению с электрической схемой без аварийного тормоза, поэтому он является очень экономичным с точки зрения места, массы и стоимости.