Цепь развязки звена постоянного тока для параллельных инверторов
DC LINK DECOUPLING NETWORK FOR PARALLEL INVERTERS

Настоящее изобретение относится к цепи развязки звена постоянного тока, которая выполняется в комбинации с двумя инверторами, упомянутые инверторы подключены параллельно к общей линии электропитания постоянного тока, и каждый из этих инверторов приводит в действие один из различных тяговых двигателей, для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрено средство выключения для отсоединения соответствующего инвертора от упомянутой линии электропитания в случае отказа.
Описанная выше конструкция тележки обычно используется в электровозах.
Электровозы этого типа хорошо известны специалистам в данной отрасли и широко используются. В частности, эта конструкция применяется в сочетании с использованием двигателей переменного тока.
В обычном локомотиве электродвижущая сила (ЭДС) поступает от подвесной контактной линии или от контактного рельса или генерируется дизельным двигателем или двигателем другого типа, входящим в состав этого локомотива.
Сигнал электропитания, поступающий, например, от подвесной контактной линии, может представлять собой сигнал переменного тока, и он подвергается преобразованию и выпрямлению. Этот сигнал переменного тока на выходе выпрямителя или преобразователя преобразуется в сигнал постоянного тока и передается в инвертор для преобразования в сигнал управления и электропитания для двигателя. В инверторе сигнал постоянного тока преобразуется в сигнал электропитания переменного тока, форма и параметры которого специально адаптированы к требуемым параметрам движения.
Известна возможность использования в локомотивах множества тележек с множеством осей и более чем одним двигателем, и эти двигатели предназначены для приведения в движение разных осей одной и той же тележки или различных тележек.
При этом обычно используют несколько параллельно подключенных инверторов, которые получают упомянутый сигнал электропитания и каждый из которых питает по меньшей мере один из упомянутых двигателей, то есть каждый инвертор питает другой двигатель.
В локомотивах этого типа инверторы подключены параллельно к общей высоковольтной линии электропитания и, следовательно, все компоненты упомянутой линии являются общими для всех инверторов и подключены к входам каждого инвертора. Поскольку блоки, из которых формируются упомянутые инверторы, обычно снабжаются конденсатором звена постоянного тока, два параллельно подключенных инвертора, как правило, испытывают проблемы с функционированием в диапазоне определенных частот из-за резонанса этих конденсаторов и паразитных индуктивностей кабельной сети.
В этой области техники этот недостаток обычно устраняют увеличением емкости конденсаторов.
Альтернативный способ устранения упомянутых выше недостатков заключается в использовании шин с низкими паразитными индуктивностями. Соответственно, резонансные частоты сдвинуты к высоким значениям, на которых преобладает поверхностный эффект.
Тем не менее, в случае неисправности инвертора или двигателя локомотив лишается возможности использовать оба двигателя, которые управляются упомянутыми двумя инверторами, так как не существует возможности отсоединить лишь неисправный инвертор или двигатель. Если локомотив имеет две тележки, каждая со своим приводным двигателем, то в указанных выше условиях теряется тяга обоих тележек.
Цель данного изобретения заключается в том, чтобы предложить локомотив описанного выше типа, который отличается тем, что описанные выше недостатки известных цепей развязки звеньев постоянного тока, особенно в двигателях локомотивов, могут быть устранены простым, недорогим и легким в использовании способом, улучшающим эффективность конструкции и снижающим затраты.
Это изобретение осуществляет указанные выше цели при помощи цепи развязки звена постоянного тока в комбинации с двумя инверторами, которые подключены параллельно к общей линии электропитания постоянного тока, при этом каждый инвертор приводит в действие один из различных тяговых двигателей и для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрено средство выключения для отсоединения соответствующего инвертора от упомянутой линии электропитания в случае отказа, упомянутая цепь звена постоянного тока дополнительно снабжена средством ослабления/гашения резонансных колебаний, выполненным в виде RL-фильтра (резистивно-индуктивного фильтра), устраняющим условия возникновения резонанса инверторов, то есть входных конденсаторов упомянутых инверторов.
В соответствии с еще одной особенностью упомянутый RL-фильтр помещается между упомянутой общей линией электропитания и входным конденсатором каждого из инверторов.
Предложенная настоящим изобретением конструкция этого фильтра содержит дроссель для каждой ветви линии электропитания, соединяющей с этой линией электропитания один из инверторов, при этом упомянутый дроссель подключен последовательно между упомянутой общей линией электропитания и упомянутым инвертором, и резистор, который подключен параллельно к упомянутым дросселям и параллельно входам двух упомянутых инверторов и при этом связывает упомянутые две ветви, соединяющие эти два инвертора один с другим.
Два дросселя, соединенные последовательно со входами инверторов, преимущественно обладают индуктивностью одинаковой величины.
Согласно усовершенствованию упомянутые два дросселя имеют общий металлический сердечник.
Согласно еще одной особенности, к входу каждого инвертора и к его дросселю в соединительную ветвь последовательно подключен выключатель для отсоединения соответствующего инвертора от линии электропитания.
Эти особенности настоящего изобретения позволяют исключить резонанс между входными конденсаторами двух упомянутых инверторов и также делают возможным отсоединение инверторов от электропитания в случае неисправности. Как более понятно объяснено в приведенном далее описании, тяговые токи на входе двух инверторов проходят через упомянутый дроссель и создают в магнитном сердечнике состояние, при котором поток равен нулю, и приводят упомянутый элемент с реактивным сопротивлением в своего рода состояние равновесия. При высоких частотах (включающих также частоту резонанса) упомянутый элемент с реактивным сопротивлением обладает большим полным сопротивлением, чем резистор 17, подключенный параллельно к индуктивности 13. Ток проходит через упомянутый резистор, что приводит к гашению колебаний.
Это изобретение также относится к электровозу, содержащему по меньшей мере одну тележку и по меньшей мере два электродвигателя, каждый из которых приводит в движение по меньшей мере одну ось по меньшей мере одной тележки или двух различных тележек, при этом каждый двигатель управляется по меньшей мере одним из двух инверторов, каждый из этих инверторов получает электропитание от общей линии электропитания, для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрено средство выключения для отсоединения соответствующего инвертора от упомянутой линии электропитания в случае отказа, и такой электровоз снабжен средством, которое подключено к инверторам для устранения условий возникновения резонанса этих инверторов, то есть упомянутых входных конденсаторов упомянутых инверторов, упомянутое средство представляет собой цепь развязки звена постоянного тока, соответствующую одной или нескольким описанным выше комбинациям особенностей.
Это изобретение также относится к базовому тяговому устройству для подачи электропитания к электродвигателям, в частности для приведения в движение одной или нескольких железнодорожных тележек, при этом такое устройство содержит общую высоковольтную линию электропитания для подачи электропитания к по меньшей мере двум инверторам, подключенным один параллельно другому к упомянутой линии электропитания, каждый из таких инверторов управляет по меньшей мере одним из различных двигателей. Согласно этому изобретению упомянутое тяговое устройство содержит средство для устранения условий возникновения резонанса этих инверторов, то есть входных конденсаторов упомянутых инверторов, и упомянутое средство представляет собой цепь развязки звена постоянного тока, соответствующую одной или нескольким описанным выше комбинациям особенностей.
Другие особенности и усовершенствования составят предмет содержания зависимых пунктов формулы изобретения.
Эти и другие особенности и преимущества данного изобретения станут более понятными из приведенного ниже описания нескольких вариантов осуществления изобретения, показанных на прилагаемых чертежах, на которых:
На Фиг.1 показана схема цепи генерирования сигнала электропитания для подачи электропитания к двигателям, обозначенным позицией 2, в которой присутствуют два параллельно подключенных инвертора и фильтр, выполненной по настоящему изобретению.
На Фиг.2 показана упрощенная принципиальная электрическая схема фильтра для подавления резонанса между входными конденсаторами инверторов, работающих при параллельном подключении.
На Фиг.3 показана схема тестовой цепи для фильтра, показанного на Фиг.2.
На Фиг.4 показан характер изменения напряжений в каждой из соединяющих ветвей, представленных конденсаторами C1 и C2 (входными конденсаторами инверторов), при замыкании выключателя S1, с достижением резонансной частоты и срабатыванием фильтра ослабления/гашения, показаного на предыдущих фигурах.
На Фиг.5 показана кривая тока при замыкании выключателя S1 и с формированием резонансов и кривая этого тока при срабатывании только дросселя и при срабатывании дросселя с резистором, подключенным параллельно этому дросселю.
Функции и назначение цепи развязки звена постоянного тока по настоящему изобретению легче понять в сочетании с предпочтительным применением, для которого предназначена эта цепь, а именно в локомотиве с конструкцией тележки, содержащей по меньшей мере два двигателя, каждый из которых приводится в действие выделенным инвертором, без любых ограничений объема охраны при использовании упомянутого звена постоянного тока в других областях техники, где накладываются аналогичные условия.
Электровоз 1 может иметь различные конфигурации в отношении количества инверторов, предусмотренных для управления одним или несколькими двигателями упомянутых тележек.
Сигнал электропитания может быть получен от подвесной контактной линии с использованием пантографа. Если этот сигнал является сигналом переменного тока, то сначала он должен подвергнуться преобразованию в преобразователе. Между пантографом и преобразователем предусмотрен линейный выключатель. Вторичная цепь упомянутого преобразователя подключена к выпрямителю, который преобразует сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока, после чего этот сигнал постоянного тока с помощью системы подключения, известной в данной отрасли как звено постоянного тока, поступает из упомянутого выпрямителя на входы одного или нескольких инверторов для управления двигателями тележек. Эти инверторы изменяют входной сигнал в, как правило, трехфазный сигнал переменного тока, который имеет оптимизированную форму и частоту, амплитуду и другие параметры, изменяемые в соответствии с требуемыми параметрами движения локомотива.
Как правило, эти функции являются хорошо известными и изученными для специалиста.
Следует отметить, что этот описанный пример должен рассматриваться без ограничений. Высоковольтный сигнал электропитания может подаваться в виде сигнала прямого тока или может генерироваться посредством преобразования других видов энергии в электроэнергию, как в случае использования дизель-электрических локомотивов, которые используют дизельный двигатель для генерации генератором переменного тока электроэнергии, подаваемой к двигателям.
Следует иметь в виду, что этот пример не должен рассматриваться как ограничивающий использование данного изобретения единственным типом локомотивов, скорее оно будет применимо к любым условиям, в которых множество электродвигателей должно получать электропитание от множества инверторов, которые должны иметь возможность быть индивидуально изолированными в случае неисправности, не затрагивая работу остальных инверторов и двигателей, и без полной потери доступности исходной тяговой силы.
Обращаясь к настоящему изобретению более предметно, Фиг.1 показывает схему соединений фильтра для ослабления резонансных колебаний между входными конденсаторами C1, С2 инверторов 9. Источниками таких колебаний являются инверторы, управляемые определенной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ): частота этих колебаний зависит от значений емкости конденсаторов шины постоянного тока и индуктивности кабелей, которая зависит от длины этих кабелей.
В аттенюаторе/гасителе 12 выполняется разветвление для гашения упомянутых резонансных колебаний, которые могут возникать между двумя входными конденсаторами С1 и С2.
Такой аттенюатор/гаситель 12 состоит из двух дросселей с индуктивностью одинаковой величины или из одного дросселя с подключенной к его центру линией 11 электропитания, эти катушки индуктивности обозначены позицией 14 и соединяются последовательно со входом соответствующего инвертора 9 в соответствующих соединяющих ветвях 14, 15. Также в каждой из этих ветвей предусмотрен выключатель 16, который используется для отсоединения каждого из двух инвертеров 9 от общей линии 11 электропитания постоянного тока. Между двумя соединяющими ветвями 14 и 15 предусмотрен рассеивающий резистор 17, расположенный в цепи после дросселей 13 и параллельно с ними.
Описанная выше компоновка аттенюатора/гасителя 12 показана более подробно на Фиг.2. На этой схеме элементы, подобные (или выполняющие подобные функции) элементам предыдущей Фиг.1, обозначены подобными позициями.
Сигнал электропитания, обозначенный как тяговый ток, подается в две ветви 14 и 15 через дроссель 13. Два дросселя 13 обладают индуктивностью одинаковой величины и общим металлическим сердечником 113. Две ветви 14 и 15 образуют соединения для прохождения постоянного тока, по которым тяговый сигнал подается к двум инверторам. Эти соединения, используя общепринятую терминологию данной области техники, обозначаются как VDClink1 и VDClink2.
Параллельно двум ветвям 14 и 15 подключен резистор 17.
Эта фигура ясно показывает особенность аттенюатора/гасителя 12 данного изобретения. Эта особенность состоит в том, что тяговый ток обоих инверторов проходит через дроссель и приводит к нулевому потоку в магнитном сердечнике. Следовательно, этот элемент с реактивным сопротивлением достигает своего рода состояния равновесия. На высоких частотах (включающих также частоту резонанса) упомянутый элемент с реактивным сопротивлением обладает большим полным сопротивлением, чем резистор 17, подключенный параллельно к дросселю 13. Ток проходит через упомянутый резистор, что приводит к гашению колебаний.
Фиг.3 показывает схему соединений тестовой цепи для аттенюатора/гасителя 12, предназначенной для демонстрации способности гашения резонансных колебаний этой цепи по настоящему изобретению. Два конденсатора C1 и C2 соединены параллельно через гаситель 12. Эти конденсаторы заряжаются при различных значениях напряжения, и затем замыкается выключатель. Другими словами, к цепи прилагается перепад напряжений, который в свою очередь становится источником возмущений на каждой частоте. Колебание напряжения сохраняется лишь на резонансной частоте и гасится в течение одного периода. Гаситель 12 по изобретению содержит дроссель, эквивалентный дросселю 13, и подключенный параллельно ему резистор 17.
Разность потенциалов относительно конденсатора C2 подается на конденсатор C1, и выключатель S1 находится в замкнутом положении для создания условий возникновения резонанса.
Фиг.4 показывает характер изменения напряжений на конденсаторах C1 и C2 при достижении резонансной частоты этих двух конденсаторов.
На Фиг.4 в точке, указанной на графике стрелкой, была достигнута резонансная частота 76,09 Гц, и аттенюатор/гаситель 12 работал с коэффициентом затухания, равным 0,362.
Типичное значение емкости конденсаторов составляет 18 мФ.
Индуктивность Ldamp является показателем, который принимают во внимание при создании развязки упомянутых конденсаторов. В частности, типичным значением является Ldamp=476 мкГн. В частности, для Ldamp по варианту осуществления, которому отдается предпочтение, справедливо следующее отношение: Ldamp=L1_dm+L2_dm+2* взаимная индуктивность.
Гасящее сопротивление Rdamp имеет значения в диапазоне от 0,1 Ом до 0,5 Ом и по варианту, которому отдается предпочтение, имеет значение 0,3 Ом.
Следует отметить, что упомянутые значения резонансной частоты и коэффициента затухания зависят от варианта применения и могут изменяться для значений емкости, индуктивности и сопротивления, которые отличаются от значений, использованных для описанного теста.
Фиг.5 показывает кривую затухания тока, проходящего между конденсаторами в замкнутом контуре по Фиг.3, при наличии в этом контуре дросселя 13 и резистора 17.
Колебания гасятся в течение примерно двух периодов. В отсутствие цепи развязки звена постоянного тока по данному изобретению эти колебания будут продолжаться бесконечно.