Усовершенствованная система жесткой предварительной зарядки для параллельных инверторов
IMPROVED SYSTEM OF HARD PRECHARGING FOR PARALLEL INVERTERS

Настоящее изобретение относится к усовершенствованной системе жесткой предварительной зарядки для параллельных инверторов в тяговой системе для железной дороги, содержащая по меньшей мере два различных двигателя, каждый двигатель управляется с помощью по меньшей мере одного из двух инверторов, которые параллельно подключены к общей линии питания, которая подает сигнал питания постоянного тока с помощью соответствующего звена постоянного тока, для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрен разъединитель, который отсоединяет соответствующий инвертор от упомянутой линии питания, каждый инвертор, кроме того, подключен к общей линии питания с помощью батареи конденсаторов фильтра и средства для предварительной зарядки упомянутых батарей конденсаторов, эти средства предварительной зарядки содержат шунтирующий резистор и автоматический переключатель питания, который переключает сигнал питания постоянного тока на упомянутый шунтирующий резистор, как только напряжение превысит заранее заданный порог.
Тяговые системы описанного выше вида известны. В этих системах на входах каждого инвертора установлены большие батареи конденсаторов фильтра для фильтрования содержания гармоник линии питания и для локального хранения энергии, обеспечивающей функционирование упомянутых инверторов. Такой вид тяговой системы раскрыт, например, в работе "Recent Advances in power electronics technology for Industrial and Traction Machine Drives", Томас M. Янс и Владимир Бласко, доклады IEEE, том 89, №6, июнь 2001 г.
В данной области техники известны две системы зарядки, которые называются "мягкая предварительная зарядка" и "жесткая предварительная зарядка".
Так называемые системы "мягкой" предварительной зарядки используют резистор и переключатель для последовательного подключения этого резистора к линии питания и отключения от нее. Во время предварительной зарядки батарей конденсаторов сигнал питания подается через этот резистор и напряжение на конденсаторах увеличивается медленно, вследствие чего не возникает перенапряжение, которое может повредить электронные компоненты системы управления.
Упомянутый переключатель для подключения резистора к цепи сигнала питания и отключения от нее и сам резистор постоянно подключены к сигналу высокого напряжения и в случае повреждения тяговой системы перейдут в нерабочее состояние.
Известны системы, в которых отсутствует резистор и присутствует только разъединитель, который непосредственно подключает инвертор и конденсатор фильтра к сигналу питания. Обычно дросель фильтра ограничивает входной ток во избежание срабатывания устройств защиты. С другой стороны, перенапряжения гасят с помощью защиты, т.е. шунтирующего резистора. Автоматический переключатель питания, такой как прерыватель, переключает сигнал питания на шунтирующий резистор путем отсоединения инвертора и соответствующего конденсатора фильтра от упомянутого сигнала питания, как только напряжение превысит заранее заданное пороговое значение максимального допустимого напряжения, тогда как при падении напряжения ниже второго заранее заданного порогового значения, меньшего чем предыдущее, упомянутый переключатель восстанавливает соединение инвертора и соответствующего конденсатора фильтра с сигналом питания.
В этих системах часть энергии рассеивается в шунтирующем резисторе. Кроме того, когда система управления содержит два инвертора, каждый из них подключен к сигналу питания параллельно с другим инвертором через звено постоянного тока и каждый из этих инверторов управляет одним из различных двигателей, каскады подключения обоих инверторов подключаются к упомянутому сигналу питания, и поэтому входные токи достигают очень больших значений.
Цель данного изобретения заключается в том, чтобы предложить тяговую систему описанного выше типа, в которой при параллельном подключении двух инверторов, управляющих двумя различными двигателями, входной ток может поддерживаться на низком уровне, обеспечивая тем самым экономию энергии.
Это изобретение достигает указанной выше цели тем, что в описанной выше системе, т.е. тяговой системе для железной дороги, содержащей по меньшей мере два различных двигателя, каждый двигатель управляется с помощью по меньшей мере одного из двух инверторов, которые параллельно подключены к общей линии питания, которая подает сигнал питания постоянного тока с помощью соответствующего звена постоянного тока, при этом для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрен разъединитель, который отсоединяет соответствующий инвертор от упомянутой линии питания, каждый инвертор, кроме того, подключен к общей линии питания с помощью батареи конденсаторов фильтра и средства для предварительной зарядки упомянутых батарей конденсаторов, при этом средство предварительной зарядки содержит шунтирующий резистор и автоматический переключатель питания, который переключает сигнал питания постоянного тока на упомянутый шунтирующий резистор, как только напряжение превысит заранее заданный порог,
причем упомянутая тяговая система снабжена средством для поочередного замыкания разъединителей одного из двух инверторов и связью, которая перенаправляет сигнал питания от шунтирующего резистора инвертора, подключенного к линии питания упомянутым автоматическим переключателем питания, к батарее конденсаторов фильтра другого инвертора, который отсоединен от этой линии питания.
Согласно еще одной особенности на входах обоих звеньев постоянного тока, подключающих сигнал постоянного тока к инверторам, расположен дроссель фильтра для ограничения входного тока во время предварительной зарядки батарей конденсаторов фильтра.
В одном из вариантов осуществления изобретения упомянутые автоматические переключатели для переключения сигнала питания к резистору защиты от перенапряжения, т.е. к шунтирующему резистору, состоят из полупроводникового переключателя, такого как транзистор или прерыватель, который при превышении заранее заданного первого порогового значения максимального напряжения выполняет функцию перенаправления сигнала питания от батареи конденсаторов в ветвь защиты от перенапряжения, содержащую упомянутый шунтирующий резистор и упомянутую связь, в то время как при падении напряжения ниже второго порогового значения напряжения, меньшего чем упомянутое первое пороговое значение напряжения, упомянутое средство поочередного переключения снова подает сигнал питания к батарее конденсаторов.
Резистивное соединительное средство соединяет вместе два шунтирующих резистора в ветвях защиты от перенапряжения и таким образом переключает сигнал питания, который должен рассеиваться в шунтирующем резисторе, к батарее конденсаторов фильтра того инвертора, который в данное время отсоединен от сигнала питания.
В более конкретном варианте осуществления каждый инвертор параллельно подключен к батарее конденсаторов фильтра, переключающий прерыватель подключен через свой эмиттер и коллектор к ветви защиты от перенапряжения, которая соединена параллельно с упомянутой батареей конденсаторов ниже по цепи относительно разъединителя, и эта ветвь защиты содержит шунтирующий резистор и пару последовательно подключенных диодов, один из которых параллельно соединен с прерывателем, а другой параллельно соединен с шунтирующим резистором, при этом для соединения двух ветвей защиты от перенапряжения применено сопротивление, кроме того, установлено средство для поочередного переключения разъединителей двух каскадов подключения двух инверторов в закрытое и открытое состояния.
Согласно еще одному усовершенствованию на входе каскадов подключения может быть выполнен фильтр для отфильтровывания резонансных напряжений и токов, возникающих при поочередном отсоединении двух инверторов от линии питания.
Во-первых, особенности данного изобретения дают возможность рекуперации части энергии сигнала питания, подаваемого к одной из батарей конденсаторов фильтра, для зарядки указанной батареи конденсаторов фильтра одного из двух инверторов, которая рассеялась бы в резисторе защиты от перенапряжения, который относится к каскаду подключения другого из двух инверторов.
Кроме того, поскольку упомянутые инверторы и их соответствующие звенья постоянного тока подключены к линии питания поочередно, то входной ток остается на низком уровне, т.е. при значении, запрошенном одним из двух инверторов, причем в случае перенапряжения сигнал питания, отклоненный подключенным к линии питания инвертором, подается к батарее конденсаторов фильтра, отсоединенного от линии питания инвертора, и сохраняется в упомянутой батарее конденсаторов вместо рассеивания шунтирующим резистором.
Это изобретение также относится к электровозу, содержащему по меньшей мере две тележки и по меньшей мере два двигателя, каждый из которых приводит в движение по меньшей мере одну ось одной из упомянутых двух тележек или каждой из упомянутых двух тележек, и эти двигатели управляются инвертором тяговой системы в соответствии с одним или несколькими раскрытыми выше вариантами осуществления изобретения.
Это изобретение также относится к способу управления двумя тяговыми двигателями, в частности, железнодорожных транспортных средств или подобных им транспортных средств, каждый из этих двигателей управляется отдельным инвертором и к этим подключенным один параллельно другому инверторам подается сигнал питания постоянного тока, каждый инвертор подключен к сигналу питания через звено постоянного тока, параллельно каждому инвертору подключен предварительно заряжаемый входной конденсатор для хранения заранее заданного количества электроэнергии для приведения в действие соответствующего инвертора, в то время как напряжение сигнала питания в звене постоянного тока находится под контролем, при обнаружении перенапряжения упомянутое звено постоянного тока отключается от упомянутого сигнала питания и при обнаружении упомянутого перенапряжения упомянутый сигнал питания перенаправляется к предварительно заряжаемому входному конденсатору другого инвертора для зарядки упомянутого конденсатора.
В одном из усовершенствований сигнал питания поочередно подается к одному и другому из упомянутых двух инверторов, в случае перенапряжения упомянутый сигнал перенаправляется от входного конденсатора инвертора, который получает подаваемый сигнал питания, ко входному конденсатору инвертора, который не получает этот сигнал питания.
Далее, особенности и усовершенствования составят предмет, прилагаемой к настоящему описанию формулы изобретения.
Эти и другие особенности и преимущества данного изобретения станут более понятными из приведенного далее описания нескольких вариантов осуществления изобретения, показанных на прилагаемых фигурах, на которых:
На Фиг.1 показаны принципиальные электрические схемы, известные в отрасли.
На Фиг.2 показана принципиальная электрическая схема системы управления по настоящему изобретению.
На Фиг.3 показан характер изменения напряжений в батареях конденсаторов, обозначенных как конденсаторы C1 и C2, во время процесса предварительной зарядки с использованием системы по настоящему изобретению.
На Фиг.4 показана диаграмма тока во время процесса предварительной зарядки с использованием системы по настоящему изобретению.
Обычно электровозы имеют две тележки, приводимые в движение двигателями, и эти двигатели каждой тележки управляются предназначенным для этого инвертором. Такая конфигурация не является единственно возможной, но служит просто примером, который показывает, что локомотив имеет два параллельных инвертора, каждый из которых управляет по меньшей мере одним из различных двигателей.
Сигнал питания может быть получен от подвесной контактной линии с использованием пантографа или другими способами, известными из уровня техники. Упомянутый сигнал может быть сигналом переменного тока или сигналом постоянного тока. В случае сигнала переменного тока этот сигнал сначала подвергается преобразованию в преобразователе. Между пантографом или входом сигналаЮ, или генератором сигнала и преобразователем установлен линейный выключатель. Вторичный контур упомянутого преобразователя подключен к выпрямителю, который преобразует сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока, после чего упомянутый сигнал постоянного тока посредством блока подключения постоянного тока поступает из упомянутого выпрямителя на входы двух инверторов для управления двигателями двух тележек.
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 требуемым режимом передвижения локомотива.
Как правило, для специалиста эти функции являются хорошо известными и изученными.
Как уже отмечалось, высоковольтный сигнал питания может предоставляться в виде сигнала постоянного тока или может генерироваться посредством преобразования других видов энергии в электроэнергию, как в случае дизель-электрических локомотивов, которые используют дизельный двигатель для генерации с помощью генератора переменного тока электроэнергии, подаваемого к двигателям.
В итоге, описанный пример не должен рассматриваться как ограничивающий использование данного изобретения единственным типом локомотивов, точнее оно будет применимо к любым условиям, в которых множество электродвигателей должны получать питание от множества инверторов, которые должны иметь возможность быть индивидуально отсоединенными в случае неисправности без нарушения работы остальных инверторов и двигателей и без полной потери доступности заданой тяговой силы.
Упомянутые блоки подключения обычно имеют батареи конденсаторов фильтра, которые должны быть предварительно заряжены для корректной работы инвертора. Эти батареи заряжают через зарядный резистор, введенный в цепь, которая подает сигнал питания от выпрямителя, и назначение этого резистора состоит в удержании напряжения в пределах заранее заданных максимальных значений во время зарядки конденсатора фильтра.
При наличии двух параллельных инверторов предварительная зарядка батарей конденсаторов блока подключения каждого инвертора осуществляется отдельно от батарей конденсаторов, связанных с другим, вторым инвертором. Благодаря этой схеме ток зарядки может удерживаться в заранее заданных пределах.
На Фиг.1 показан пример питающей цепи, соответствующей известному уровню техники, при использовании в конфигурации, содержащей два параллельных инвертора 9, питание каждого из них осуществляется блоком 10 подключения, который содержит свою соответствующую батарею 110 конденсаторов фильтра и зарядный резистор 210.
На Фиг.2 показана структурная схема системы управления по настоящему изобретению и, в частности, блока подключения. Дроссель 410 осуществляет фильтрацию сигнала питания и приводит его в соответствие с ограничениями по току. В иллюстрируемом примере первая батарея 110 конденсаторов, предназначенная для зарядки одного из упомянутых двух инверторов 9, обозначена как C1, а вторая батарея 110 конденсаторов, предназначенная для зарядки другого инвертора 9, обозначена как C2. Разъединитель S1 замкнут, в то время как выключатель S2, который подключает второй инвертор 9, обозначенный как инвертор 2, находится в разомкнутом состоянии.
Средство 111, 112 автоматического переключения, состоящее из прерывателя, перенаправляет сигнал питания от заряжаемой батареи конденсаторов, когда напряжение превышает заранее заданное пороговое значение. В частности, для показанных на Фиг.3 результатов выполненного теста переключатель 111 при превышении напряжением VC1 значения 975 B, для регулирования напряжения, автоматически переходит в замкнутое состояние. В результате избыточная энергия, сохраненная в C1, перенаправляется резистором RCcrow соединения через диод D3 к батарее конденсаторов, обозначенной как C2, которая вслед за этим начинает заряжаться. Линии на Фиг.2 показывают путь прохождения сигнала питания. Стоит отметить, что в отсутствие описанного выше пути прохождения сигнала питания (RCcrow и D3 на Фиг.2), этот сигнал рассеивается шунтирующим резистором RAcrow или RBcrow в зависимости от того, какая из батарей конденсаторов в данное время непосредственно подключена к сигналу питания и подвергается предварительной зарядке.
Таким образом, можно понять, что часть энергии, которая в ином случае была бы рассеяна резисторами защиты, рекуперируется и используется для зарядки батареи конденсаторов, которая не заряжается в настоящее время.
На Фиг.3 показана диаграмма напряжения в зависимости от времени, а на Фиг.4 показана диаграмма тока в зависимости от времени.
График на Фиг.3 показывает диаграмму напряжений на конечных контактах упомянутой первой батареи конденсаторов и упомянутой второй батареи конденсаторов. Можно понять, что по мере регулирования напряжения VC1 прерывателем 111 напряжение батареи C2 конденсаторов начинает возрастать, чтобы через короткое время достичь уровня напряжения упомянутой первой батареи конденсаторов.
График на Фиг.4 показывает ток в проводнике. Следует учесть, что при приведении в действие прерывателя 1 ток, который до этого увеличивался, начинает уменьшаться, поскольку часть этого тока передается на зарядку батареи C2 конденсаторов, а другая часть рассеивается в резисторе RAcrow.
Приведенное выше описание ясно показывает отличительную особенность данного изобретения, которая заключается в том, что предоставляется возможность поочередного подключения к сигналу питания двух параллельно работающих инверторов. Это поочередное подключение позволяет уменьшить вдвое ток, используемый при предварительной зарядке, и обеспечивает экономию энергии благодаря использованию избыточной энергии для зарядки инвертора, который соответственно отсоединен от сигнала питания, вместо рассеивания этой энергии резисторами защиты для ограничения вышеуказанных значений напряжения в заданных пределах.