ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, В ЧАСТНОСТИ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE ELECTRICAL SCHEME, IN PARTICULAR OF THE RAIL VEHICLE

Изобретение относится к электрической схеме транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства, получающего в режиме эксплуатации электроэнергию из сети питания, включающей сторону входа, предназначенную для проведения напряжения от сети питания, и сторону потребления, соответствующую по меньшей мере одному потребителю энергоснабжения транспортного средства.
Для питания электрических транспортных средств, получающих электроэнергию из внешней сети питания, существуют сети электропитания с различным напряжением сети, что обусловлено исторически и, в частности, спецификой страны. Это различное напряжение сети требует наличия в транспортном средстве специального оборудования, соответствующего напряжению сети. Применяемые в настоящее время элементы оборудования сильно отличаются друг от друга своими размерами. Это отрицательно влияет на стандартизацию потребителей энергоснабжения. Эта проблема относится, в частности, к рельсовому электротранспорту, оборудование которого должно соответствовать различным национальным требованиям. В частности, для эксплуатации рельсового транспорта с напряжением постоянного тока в сети ниже 3 кВ элементы силовой электроники должны соответствовать именно этому условию использования. Использование элементов, широко распространенных в промышленной сфере, просто невозможно.
Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить электрическую схему для подобного транспорта, конструктивно просто сокращающую эти недостатки, в частности исключающую их.
Для этого предложено включение в электрическую схему блока преобразования напряжения для обеспечения на стороне потребителя энергоснабжения напряжения, соответствующего режиму эксплуатации электрооборудования транспортного средства, включающего первую секцию на стороне входа под потенциалом в рабочем режиме, по меньшей мере вторую секцию на стороне потребителя энергоснабжения под потенциалом в рабочем режиме и секцию переноса зарядов, предназначенную для перемещения заряда из первой секции во вторую секцию. Такое простое конструктивное решение обеспечивает на стороне потребителя пониженное или повышенное по сравнению с напряжением сети напряжение, что делает возможным сделать электрооборудование транспортного средства предпочтительно, по меньшей мере частично, независимым от параметра напряжения сети. Снижение напряжения обеспечивает возможность упростить конструкцию и сократить расходную часть.
Секция переноса зарядов соединена предпочтительно попеременно с отдельными секциями таким образом, что потенциал заряда, полученного секцией переноса зарядов, до перемещения соответствует потенциалу первой секции, а после перемещения – потенциалу второй секции.
Изобретение пригодно, в частности, для потребителя энергоснабжения транспортного средства, выполненного в виде тягового устройства. При этом электрическая схема предназначена, в частности, для обеспечения электрического напряжения, на основе которого, по меньшей мере, энергоснабжающий модуль тягового устройства, например тяговый преобразователь, вырабатывает электроток, в частности переменный ток, соответствующий производимой тяговой мощности. Потребитель энергоснабжения транспортного средства выполнен в этом случае в виде бортовой сети энергоснабжения.
Изобретение пригодно, в частности, для использования в сети постоянного напряжения, так как вышеназванные приспособления для подводки напряжения до потребителя, как правило, в частности при напряжении сети постоянного тока 3 кВ, очень затратны. Поэтому предпочтительно, чтобы сторона входа была выполнена для перевода полученного от сети питания напряжения в электросеть постоянного напряжения. Электрическая схема выполнена предпочтительно как понижающий или повышающий преобразователь в качестве питающей схемы транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства. В отличии от обычного понижающего или повышающего преобразователя изобретение обеспечивает особо простое конструктивное исполнение этого функционала. В частности, размеры пассивных и активных компонентов в значительной мере уменьшены. В частности, в отличие от классического использования преобразователя обеспечены небольшая и облегченная конструкция электрической схемы.
Кроме этого, по меньшей мере, обеспечена тенденция к унификации электрооборудования транспортного средства, работающего ниже уровня постоянного напряжения сети, так как изобретение значительно снижает зависимость от параметра напряжения сети. В частности, без необходимости дорогого переоборудования обеспечена возможность проектирования электрооборудования, работающего при напряжении сети, повышенном вдвое и/или пониженном вдвое по сравнению с напряжением потребителей энергоснабжения при условии, если блок преобразования напряжения выполнен для обеспечения напряжения на стороне потребителей, соответствующего половине или двойному повышению сетевого напряжения. Для выполнения бортового потребителя транспортного средства в виде тягового устройства обеспечена повышенная универсальность применения тягового устройства без необходимости дорогого переоборудования компонентов, в частности силовой электроники и приводных двигателей. Соответствующая работа тягового устройства с постоянным напряжением ниже 1,5 кВ и/или бортовой сети электропитания может быть без необходимости дорогого переоборудования спроектирована для постоянного напряжения сети 3 кВ и/или 750 В. Кроме этого, при постоянном напряжении сети 3 кВ можно путем ополовинивания использовать компоненты силовой электроники, широко распространенные в промышленности. Соответственно, отпадает необходимость дорогой конструкции для силовой электроники специально для этой области применения. В частности, для силовой электроники можно применять вместо высоковольтных биполярных транзисторов с изолированным затвором, рассчитанных на напряжение 6,5 кВ, низкозатворные биполярные транзисторы, отличающиеся более высокой частотой срабатывания, высокой безотказностью и более низкими ценами.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения предусмотрено наличие в секции переноса зарядов, по меньшей мере, элемента, соотнесенного с парой секций, и коммутатора, предназначенного для цикличного переключения элемента между секциями.
Это обеспечивает для перемещения зарядов особенно низкий уровень схемных затрат. Под переключением элемента «между секциями» понимают то, что клеммы элемента циклично соединяют с первой секцией и второй секцией соотнесенной с элементом пары таким образом, чтобы элемент находился под потенциалом первой секции и потенциалом второй секции пары циклично и, соответственно, поочередно по времени. Элемент выполнен предпочтительно в виде элементарного накопителя зарядов.
В конструктивно простом варианте исполнения пара образована первой секцией и второй секцией электрической схемы. В частности, секцию переноса зарядов выполняют только с одним переключаемым элементом. Кроме этого, предпочтительно по меньшей мере часть первой секции проводит сетевое напряжение, а по меньшей мере часть второй секции проводит предпочтительно напряжение для стороны потребителей. В частности, часть первой секции образована стороной входа электрической схемы, а часть второй секции образует выход электрической схемы на стороне потребителей энергоснабжения.
По предпочтительному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, элемент секции переноса зарядов выполнен в виде конденсатора, что обеспечивает компактность, простоту исполнения и низкие потери пассивного компонента.
Кроме этого, для выполнения блока преобразования напряжения можно использовать традиционные, дешевые элементы силовой электроники, если каждая из секций включает полумостовую схему и элемент подключен, по меньшей мере, между центрами моста полумостовых схем, причем секция схемы образована, по меньшей мере, управляемыми коммутирующими элементами полумостовой схемы. Управляемые коммутирующие элементы соответствуют предпочтительно обычным золотникам силовой электроники. Секция схемы может быть образована и управляемыми коммутирующими элементами полумостовой схемы, соотнесенной со стороной входа.
Компактное исполнение блока преобразования напряжения обеспечено также наличием в электрической схеме блока управления секцией схемы, предназначенной для работы секции схемы с частотой не менее 1кГц. Это, в частности, обеспечивает исполнение секции переноса зарядов с малым монтажным пространством благодаря компактности переключаемого элемента. Если последний выполнен в виде конденсатора, то его размеры предпочтительно малы.
Цикличное переключение секцией схемы обеспечено заданной скважностью силовых ключей. В предпочтительном варианте осуществления изобретения предложено наличие в электрической схеме средства, задающего, по меньшей мере, вместе с элементом секции переноса зарядов резонансную частоту, и блока управления секцией электрической схемы, предназначенного для работы секции электрической схемы на резонансной частоте. Это обеспечивает прохождение коммутационных процессов секции электрической схемы предпочтительно в по возможности обесточенных фазах. Предпочтительно секция электрической схемы включает управляемые коммутирующие элементы, предпочтительно соответствующие обычным золотникам силовой электроники. При этом коммутация происходит предпочтительно благодаря квазирезонансному управлению золотниками, т.е. коммутирующие процессы золотников происходят в по возможности обесточенных фазах. Это существенно снижает коммутационные потери золотников.
Примеры осуществления изобретения раскрыты на основе чертежей, на которых представлено следующее:
фиг. 1 – энергопитание от сети и рельсовое транспортное средство с электрической схемой и потребителем энергоснабжения, причем электрическая схема предназначена для ополовинивания напряжения сетевого энергопитания;
фиг. 2 – мостовая электрическая схема;
фиг. 3 – другая мостовая электрическая схема;
фиг. 4-6 – альтернативные варианты выполнения электрической схемы по фиг.1;
фиг. 7 – альтернативный вариант выполнения электрической схемы по фиг.1, причем электрическая схема предназначена для удвоения напряжения сетевого энергопитания.
N
N
N
На фиг.1 показана упрощенная схема транспортного средства, выполненного в виде рельсового транспортного средства 10. Оно выполнено в виде электрического транспортного средства, получающего для рабочего режима, в частности тягового режима, электроэнергию от энергопитающей сети 12. Энергопитающая сеть 12 обеспечивает сетевое напряжение V, являющееся постоянным напряжением 3 кВ. Это сетевое напряжение V снимает устройство 14 отбора напряжения и направляет его в электроустановку рельсового транспортного средства 10. Специалисты называют устройство 14 отбора напряжения «токоприемником». В приведенном исполнении сетевое напряжение V предоставлено воздушной линией 16 сетевого энергоснабжения, причем токоприемник 14 выполнен на крыше рельсового транспортного средства 10, в частности в виде пантографа. В одном из вариантов исполнения линия 16 сетевого энергоснабжения выполнена в виде контактного рельса, расположенного, в частности, в железнодорожном полотне.
N
Электроустановка рельсового транспортного средства 10 включает электрическую схему 18, служащую т.н. питающей схемой. Упомянутая питающая схема включает при этом сторону входа сетевого напряжения V. В рассматриваемом варианте исполнения катушка 22 индуктивности расположена между стороной 20 входа и токоприемником 14. Кроме этого, между токоприемником 14 и стороной 20 входа установлен не показанный в деталях контроллер. Электрическая схема 18 включает также обращенную от стороны 20 входа сторону 24 потребителей энергоснабжения, соотнесенную, по меньшей мере, с потребителем 25 энергоснабжения рельсового транспортного средства 10.
c
c
Электрическая схема 18 включает блок 26 преобразования напряжения, предназначенный для обеспечения напряжения V, согласованного для работы потребителя 25 транспортного средства. Напряжение V предоставлено, как показано далее, на стороне 24 потребления электрической схемы 18.
N
N
c
Для преобразования сетевого напряжения V блок 26 преобразования напряжения включает первую секцию 28h и вторую секцию 28t. Каждая секция включает накопитель зарядов 30h или 30t и пару коммутирующих элементов 32h.1, 32h.2 или 32t.1, 32t.2, включенную параллельно с соответствующим накопителем зарядов 30h или 30t. Пары коммутирующих элементов являются соответственно составными частями полумостовой схемы 34h и 34t, причем полумостовые схемы 34h и 34t подключены последовательно. Первая секция 28h с полумостовой схемой 34h соотнесена со стороной 20 входа. В частности, часть секции 28h, образующая сторону 20 входа, проводит в рабочем режиме сетевое напряжение V. Вторая секция 28t с полумостовой схемой 34t соотнесена со стороной 24 потребления, причем по меньшей мере часть секции 28t, образующая сторону 24 потребления проводит согласованное для работы потребителя 25 транспортного средства напряжение V. Секции 28h и 28t далее обозначены соответственно как «повышающая» или как «понижающая» секция.
h
t
h
t
h
t
c
Электрическая схема 18 включает для перемещения зарядов с повышающей секции 28h на понижающую секцию 28t секцию 36 переноса зарядов с выполненным в виде конденсатора элементом 38. Этот элемент 38 соотнесен с образованной повышающей секцией 28h и понижающей секцией 28t парой секций и его циклично переключают между соответствующими потенциалами V, V секций 28h и 28t. Элемент 38 в коммутационном отношении установлен таким образом, что он соединяет между собой центры моста полумостовых схем 34h и 34t. Таким образом, он подключен между центрами моста, размещенными каждый между двумя коммутирующими элементами 32h.1, 32h.2 или 32t.1, 32t.2 соответствующей полумостовой схемы 34h или 34t. По меньшей мере, коммутирующими элементами 32h.1, 32h.2 управляют при их коммутации таким образом, что элемент 38 циклично переключается между соответствующими потенциалами V, V повышающей и понижающей секции 28h и 28t. Коммутирующие элементы 32h.1, 32h.2 полумостовой схемы 34h входят таким образом в состав блока 40 коммутации, предназначенного для цикличного переключения между соответствующим потенциалами V, V секций 28h и 28t. Соотнесенный с полумостовой схемой 34h блок управления, показанный на чертеже схематично, служит при этом блоком 42 управления блоком 40 коммутации. Он запрограммирован на коммутацию коммутирующих элементов 32h.1, 32h.2, при которой их коммутируют со скважностью силовых ключей 50% и частотой по меньшей мере 1 кГц. Полумостовая схема 34t повышающей секции 28t предназначена для выпрямления полученного сигнала напряжения, чтобы на стороне 24 потребления напряжение V было постоянным напряжением.
N
c
N
h
t
N
c
В показанном на фиг.1 варианте выполнения, а также в вариантах выполнения по фиг. 4-6 электрическая схема 18 обеспечивает на основе сетевого напряжения Vс 3 кВ напряжение V с l,5 кВ. Таким образом, сетевое напряжение V посредством блока 26 преобразования напряжения делится пополам. Потенциалы V, V секций 28h и 28t при этом идентичны и соответствуют каждый ½ сетевого напряжения V, т.е. и обеспеченному на стороне 24 потребления напряжению V с l,5 кВ.
На фиг.2 показан вариант исполнения полумостовой схемы 34h повышающей секции 28h. Эта секция включает два транзистора, в частности каждый в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT= Insulated Gate Biopolar Transistor), образующие управляемые коммутирующие элементы 32h.1 и 32h.2. Параллельно коммутирующим элементам подключено по одному диоду 44h.1 или 44h.2.
c
Потребитель 25 рельсового транспортного средства 10, получающий энергию от электрической схемы 18, показан на фиг.1 схематично. В первом варианте исполнения – это тяговое устройство. Она включает, как известно, блок энергопитания, предназначенный для вырабатывания на основе предоставленного постоянного напряжения V электротока, в частности переменного тока, характеристики которого зависят от необходимой тяговой мощности. Блок энергопитания выполнен в виде тягового выпрямителя тока.
На фиг.3 показан вариант выполнения полумостовой схемы 34t понижающей секции 28t при условии выполнения потребителя 25 в виде тягового устройства. Она выполнена аналогично полумостовой схеме 34h и включает два транзистора, в частности в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT= Insulated Gate Bipolar Transistor), образующие управляемые коммутирующие элементы 32t.1 и 32t.2. Параллельно коммутирующим элементам подключено по одному диоду 44t.1 или 44t.2.
В другом варианте выполнения потребитель 25 получает энергоснабжение от электрической схемы 18 бортовой сетью электропитания. Она, как известно, включает на стороне входа преобразователь тока. Согласованное с этим потребителем 25 выполнение полумостовой схемы 34t понижающей секции 28 в отличие от выполнения по фиг.3 соответствует простому последовательному подключению двух диодов.
На фиг.4-6 показано альтернативное исполнение электрической схемы 18. Чтобы избежать повторений, описаны только отличия от выполнения по фиг.1. Согласно фиг.4-6 электрическая схема 18, в частности блок 26 преобразования напряжения, включает средство 46, задающее вместе с элементом 38 блока 36 переноса зарядов резонансную частоту. Средство 46 выполнено, согласно фиг.4-6, в виде одной или нескольких катушек индуктивности. Блок 42 управления при этом предназначен для управления посредством этой резонансной частоты блоком 40 коммутации, в частности его коммутирующими элементами 32h.1 и 32h.2. Таким образом, эти коммутирующие элементы подключают при максимально низком токе. Блок 40 коммутации работает при этом в квазирезонансном режиме. Коммутирующий элемент 32h.1 запирают, в частности, в обесточенной фазе и снова отворяют в следующей обесточенной фазе. Короткая последующая задержка способствует удалению зарядов из коммутирующих элементов. Тот же самый процесс происходит затем в коммутирующем элементе 32h.2.
В варианте выполнения по фиг.4 средство 46 подключено последовательно с элементом 38, за счет чего они размещены между мостовыми схемами 34h и 34t, в частности между центрами моста.
В примере выполнения компоненты электрической схемы 18 показывают следующие параметры: накопитель зарядов 30h и 30t – каждый по 500 мкФ; элемент 38 - 200 мкФ; средство 46 - 12 мкГн.
На фиг.5 показан альтернативный вариант исполнения средства 46 с двумя элементами 48 и 50, которые выполнены, в частности, в виде катушек индуктивности. Оба элемента 48, 50 соединены с клеммами накопителя зарядов 30t понижающей секции 28t напрямую и таким образом, что они размещены между этим накопителем зарядов 30t и потребителем 25. Выходные клеммы элементов 48, 50 образуют соответственно сторону 24 потребления электрической схемы 18.
Между элементом 48 и потребителем 25 отведено соединение с повышающей секцией 28h.
Выполнение по фиг. 6 отличается от предшествующих вариантов тем, что средство 46 соединяет напрямую последовательно повышающую и понижающую секции 28h и 28t.
c
с
c
N
N
c
h
t
N
c
Как было указано выше, электрическая схема 18 включает в варианте выполнения по фиг. 1 и 4-6 блок 26 преобразования напряжения, обеспечивающий на стороне 24 потребления напряжение V, соответствующее ополовиненному напряжению V. На фиг.7 показан вариант выполнения электрической схемы 18, в котором блок 26’ преобразования напряжения обеспечивает напряжение V‘ на стороне 24 потребления, соответствующее удвоенному напряжению V‘. В этом варианте исполнения сетевое напряжение V‘ составляет предпочтительно 750 В постоянного напряжения, а предоставленное блоком 26‘ преобразования напряжения напряжение V‘ равно 1,5 кВ постоянного напряжения. Устройство блока 26‘ преобразования напряжения соответствует блоку 26 преобразования напряжения, причем в отличии от вышеописанных вариантов исполнения сторона 20 входа и сторона 24 потребления поменяны местами. Условные обозначения компонентов блока 26‘ преобразования напряжения сохранены в этом варианте исполнения, а управление блоком 26‘ преобразования напряжения аналогично вышеописанным вариантам. Полученный от сети 12 энергопитания электроток поступает в электрическую схему 18 в точке, расположенной между секциями 28h и 28t. Потенциалы V и V секций 28h и 28t при этом идентичны и составляют каждый 750 В сетевого напряжения V, т.е. половину от предоставленного на стороне 24 потребления напряжения V.
Принцип данного изобретения раскрыт для однофазного тока. Электрическая схема 18 может быть многофазной, в частности с синхронным сдвигом фаз. Идеальный вариант предназначен для трехфазного или шестифазного режима. Простое конструктивное исполнение обеспечено при выполнении для двухфазного режима работы.