ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ПРИВОДОВ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ
PROVIDING AUXILIARY DRIVES OF RAIL VEHICLES WITH ELECTRIC ENERGY

Изобретение относится к системе снабжения вспомогательных приводов в рельсовом транспортном средстве электрической энергией. Также изобретение относится к способу защиты подобной системы от непреднамеренного контакта с опорным потенциалом, прежде всего с массой транспортного средства.
Локомотивы или другие рельсовые транспортные средства или части тяговых сцепок, которые предназначены для эксплуатации рельсового транспортного средства или тяговой сцепки, кроме требующихся непосредственно для тяги устройств (например, высоковольтный агрегат, тяговые преобразователи или тяговые двигатели), имеют дополнительные устройства, которые обеспечивают эксплуатацию. Эти вспомогательные устройства или вспомогательные приводы также требуют электрическую энергию и в специальных случаях через преобразователь вспомогательных приводов подключены к промежуточной тяговой цепи, из которой также отбирается требуемая для тяги энергия. Примерами являются вентиляторы тяговых двигателей, охладители выпрямителей переменного тока, компрессоры для сжатия газов (например, для выработки сжатого воздуха для тормозной системы), устройство пожаротушения локомотива, электронные устройства для управления эксплуатацией локомотива, приборы для зарядки аккумуляторных батарей, системы отопления, например обогрев стекол, кондиционеры, розетки, осветительные устройства. Дополнительная группа электрических устройств, которые при определенных условиях находятся в прицепленных к локомотиву единицах рельсовых транспортных средств, может быть подключена через собственный дополнительный инвертор к промежуточной тяговой цепи.
Однако изобретение не ограничено применением в локомотивах и также не ограничено электрическими системами, которые имеют промежуточную тяговую цепь. Напротив, необходимая для работы вспомогательных систем электрическая энергия может быть обеспечена другим способом. В данном описании в общем используется понятие "источник энергии", даже тогда, когда фактически речь не идет о части электрической системы, которая генерирует электрическую энергию. Зачастую электрическая энергия генерируется, например, дизельным двигателем, или, например, передается по высоковольтной цепи (например, через контактный провод верхнего расположения или токовую шину) к рельсовому транспортному средству. Но в терминологии данного описания, например, возможно имеющаяся промежуточная тяговая цепь или промежуточная цепь постоянного тока, к которой через инвертор также подключены тяговые двигатели, является источником энергии системы вспомогательных приводов.
Обычно все системы вспомогательных приводов в рельсовых транспортных средствах имеют такую концепцию, что они обходятся без опорного потенциала. Это означает, что они могут работать на изменяющемся относительно массы или "земли" транспортного средства электрическом потенциале. Если возникает контакт, прежде всего короткое замыкание на массу транспортного средства, то свободно изменяющееся состояние ликвидируется, и точка контакта лежит на массе транспортного средства. Само по себе отдельно это еще не приводит к таким проблемам, как высокие токи короткого замыкания. Но если возникнет дополнительный контакт с массой транспортного средства, то могут возникнуть высокие токи короткого замыкания, которые могут разрушить компоненты системы и также оказать обратное воздействие на другие части всей электрической системы, например на промежуточную тяговую цепь и на подключенные к ней инверторы.
Поэтому уже было предложено соединять систему вспомогательных приводов с опорным потенциалом через последовательное соединение резистора и защитного выключателя. Если в другом месте возникнет контакт с опорным потенциалом, то протекающий ток короткого замыкания ограничен резистором, и защитный выключатель размыкается в соответствии со своей временной характеристикой срабатывания.
Однако затраты на такое решение относительно высоки. К этому добавляется, что в локомотивах и в моторвагонных поездах обычно имеется несколько систем вспомогательных приводов, что дополнительно повышает затраты.
Задачей данного изобретения является разработка системы и способа вышеназванного типа, с помощью которых возможно надежное обеспечение действенной защиты системы вспомогательных приводов при сниженных затратах.
Основным замыслом данного изобретения является то, что не требуется включенный последовательно с защитным выключателем токоограничительный резистор. Правда, при возникновении второго короткого замыкания на массу транспортного средства теоретически возможно, что через еще замкнутый защитный выключатель потекут высокие токи короткого замыкания. Однако эти токи короткого замыкания можно ограничить другим способом.
Поэтому предлагается система питания вспомогательных приводов в рельсовом транспортном средстве электрической энергией, при этом:
- система через разделительный трансформатор соединена с источником энергии, например, с промежуточной цепью постоянного тока,
- система без промежуточного включения ограничивающего ток сопротивления через защитный выключатель соединена с электрическим опорным потенциалом, прежде всего, с массой транспортного средства,
- защитный выключатель выполнен с возможностью размыкания при возникновении через замкнутый защитный выключатель тока, вызванного дополнительным контактом системы с опорным потенциалом.
Под понятием "система для снабжения вспомогательных приводов" понимается устройство с электрическими проводами, которое предназначено для снабжения вспомогательных приводов. Прежде всего, система может представлять собой трехфазную систему, так что вспомогательные приводы могут быть подключены к одной или нескольким фазам питания переменным током. Прежде всего, защитный выключатель может соединять нулевую точку трех фаз с опорным потенциалом.
"Без промежуточного включения резистора" означает, что защитный выключатель соединяет электрический провод системы вспомогательных приводов непосредственно с опорным потенциалом. "Непосредственно" означает, что в этом соединении не расположено никакого отдельного узла, который увеличивает сопротивление постоянному току. Само собой разумеется, что соединительные провода имеют малое омическое сопротивление. Однако это сопротивление настолько мало, что оно несущественно ограничивало бы высокий ток короткого замыкания.
В качестве защитного выключателя рассматриваются известные выключатели, которые по типу защитных автоматов обнаруживают сильный ток и в соответствии с характеристикой срабатывания размыкают коммутационный контакт, если превышается предельное значение или же если срабатывает токовое реле выключателя. Как правило, подобный защитный автомат должен включаться вручную, после того, как причина высокого значения тока устранена.
В одной предпочтительной конструктивной форме трансформатор своей первичной обмоткой через инвертор соединен с источником энергии. Инвертор работает посредством включения и выключения вентилей тока, при этом предусмотрена система управления для управления включением и выключением, которое выполнено таким образом, что при превышении предельного значения фазного тока в одной фазе и/или при превышении общего предельного значения тока за счет суммирования токов в нескольких фазах, ток в одной фазе или во всех фазах ограничивается соответствующим предельным значением, для чего производится соответствующее управление включением и выключением вентилей. Например, время, в течение которого фаза во время полуволны переменного тока включена, уменьшается и/или производится смещение фазного тока во времени относительно режима без неполадок.
За счет описанного управления инвертором, при котором в случае промежуточной цепи постоянного тока речь идет об DC/AC-преобразователе, ток может быть эффективно ограничен также и во вторичной обмотке, так как силы тока в первичной обмотке и вторичной обмотке связаны друг с другом через индуктивность разделительного трансформатора. Примером системы управления инвертором может служить предложенная Bombardier Transportation GmbH, Берлин, Германия система управления с обозначением MITRAC DCU2. Описание соответствующего защитного механизма описано в немецкой патентной заявке DE 19962615 А1 и европейской патентной заявке ЕР 1110797 А2. В одном предпочтительном конструктивном выполнении параллельно защитному выключателю может быть подключена емкость, так что система параллельно защитному выключателю через емкость соединена с опорным потенциалом. Этим путем могут отводиться так называемые токи "common mode". Под токами "common mode" понимаются токи, которые в отличие от того, как это обычно происходит в многофазной системе, текут во всех фазах одновременно в одном направлении.
Далее предпочтительно, что система соединена с опорным потенциалом через расположенный параллельно защитному выключателю высокоомный резистор (например, более 20 кОм). Следовательно, через этот резистор постоянно течет небольшой ток.
Далее к объему изобретения принадлежит способ защиты системы питания вспомогательных приводов в рельсовом транспортном средстве электрической энергией. Конструктивные оформления и предпочтительные конструктивные формы способа вытекают из описания системы. Прежде всего, предлагается следующее: способ защиты системы питания электрической энергией вспомогательных приводов в рельсовом транспортном средстве при непреднамеренном контакте с опорным потенциалом, прежде всего с массой транспортного средства, при этом:
- система через разделительный трансформатор соединяется с источником энергии, например, с промежуточной цепью постоянного тока,
- система без промежуточного включения, ограничивающего значение тока резистора через защитный выключатель, соединяется с электрическим опорным потенциалом, прежде всего, с массой транспортного средства,
- защитный выключатель размыкается при появлении через замкнутый защитный выключатель тока, который вызван дополнительным контактом системы с опорным потенциалом.
Примеры конструктивного выполнения изобретения описываются на основании приложенных чертежей. Отдельные фигуры показывают:
Фигура 1 - промежуточную цепь постоянного тока с подключенными к ней вспомогательными приводами, и
Фигура 2 - преобразователь вспомогательных приводов, разделительный трансформатор и защитное устройство согласно фиг.1 в увеличенном виде с дополнительными деталями.
Фиг.1 показывает дизельный двигатель 1, который приводит в действие генератор 3. Дизельный двигатель 1 в этом случае является приводным двигателем, посредством которого приводится в действие локомотив, то есть перемещается по рельсовому пути. Генератор 3 вырабатывает трехфазный переменный ток, который выпрямляется выпрямителем 5. Выпрямитель 5 подсоединен к промежуточной цепи 7 постоянного тока. Потенциалы промежуточной цепи 7 постоянного тока обозначены как P-UD+ (верхняя на фиг.1 сторона промежуточной цепи 7) и как P-UD- (нижняя на фиг.1 сторона промежуточной цепи 7). Потенциал P-UD- может быть соединен, например, через обозначенную ссылочным обозначением 19 точку с массой транспортного средства.
К промежуточной цепи 7 подключены тяговый инвертор 9, который через трехфазное соединение запитывает четыре приводных двигателя 17 рельсового транспортного средства, тормозной модулятор 11, к которому подсоединен тормозной резистор 12, инвертор 13 вспомогательных приводов, который через трехфазную линию переменного тока запитывает вспомогательные приводы 18, и инвертор 15 потребителей, который, например, в прицепленном составе по однофазной сборной поездной шине снабжает потребители электрической энергией.
Показанный на фиг.1 инвертор 13 вспомогательных приводов через разделительный трансформатор 14, который обеспечивает гальваническую развязку, соединен со вспомогательными приводами 18. В показанной конструктивной форме система для снабжения вспомогательных приводов 18 электрической энергией имеет трансформатор 14, трехфазную линию и защитное устройство 21. Инвертор 13 вспомогательных приводов работает от системы управления 22, которая управляет включением и выключением вентилей (например, биполярных транзисторов, предпочтительно IGBTs, или GTOs, тиристоров Gate Turn-Off).
По сравнению с показанным на фиг.1 устройством может быть выполнено большое количество модификаций. Например, вместо дизельного двигателя и генератора, а также трехфазного выпрямителя 5, может быть предусмотрено подключение к однофазной высоковольтной сети (к сети переменного тока через выпрямитель). Дополнительно к промежуточной цепи 7 постоянного тока может быть предусмотрена одна дополнительная или несколько дополнительных промежуточных цепей, по которым обеспечивается энергией часть тяговых двигателей или обеспечиваются энергией дополнительные тяговые двигатели. К промежуточной цепи постоянного тока могут быть подключены и/или интегрированы в нее дополнительные устройства, прежде всего, предохранители и/или поглощающий контур. К одной и той же промежуточной цепи могут быть подсоединены несколько инверторов вспомогательных приводов.
Снабжение вспомогательных приводов может быть выполнено лишь однофазным.
Прежде всего, вспомогательные приводы 18 могут представлять собой один или несколько упомянутых в начале данного описания вспомогательных приводов. Например, к вспомогательным приводам 18 также относится охлаждающее устройство для охлаждения инвертора 13, трансформатора 14 и/или для охлаждения одного или нескольких дополнительных инверторов 9, 11, 15 и/или тяговых двигателей 17. Также устройства управления для управления работой инверторов 9, 11, 13, 15 могут относиться к вспомогательным приводам 18. Однако в чрезвычайном режиме работа инвертора 15 для снабжения прицепленных единиц рельсовых транспортных средств может отсутствовать.
На фигуре 2 показана трехфазная форма выполнения системы 20 вспомогательных приводов. Подсоединенный к промежуточной цепи 7 постоянного тока (не показанный на фигуре 2) инвертор 13 своей стороной переменного тока подсоединен к трем фазам X, Y, Z трехфазной соединительной линии, которая посредством клемм IM, V1, W1 соединена с первичной обмоткой разделительного трансформатора 14. Вторичная обмотка разделительного трансформатора 14 посредством клемм U2, V2, W2 соединена с тремя фазами U, V, W системы 20 вспомогательных приводов.
Для подавления и фильтрации мешающих высших гармоник с тремя фазами U, V, W соединено фильтрующее устройство 30, которое имеет, например, большое количество фильтрующих конденсаторов.
С нулевой точкой 26 на стороне вторичной обмотки трансформатора 14 соединено защитное устройство 21. Частями защитного устройства 21 являются защитный выключатель 25, подключенный параллельно ему конденсатор 27 (могут быть предусмотрены несколько включенных последовательно и/или параллельно конденсаторов) и вновь подключенный параллельно выключателю 25 и конденсатору 27 высокоомный резистор 28, который имеет, например, значение сопротивления по меньшей мере 20 кОм, предпочтительно по меньшей мере 50 кОм. Конденсатор 27 уменьшает высокие пики тока или напряжения в системе 20 на основе common mode - токов. Высокоомный резистор 28 служит для фиксации потенциала системы 20 вспомогательных приводов и в качестве разрядного сопротивления для конденсатора 27, если защитный выключатель 25 разомкнулся.
В нормальном исправном состоянии вторичная обмотка трансформатора 14 соединена с массой транспортного средства лишь через замкнутый защитный выключатель 25, как это обозначено под защитным устройством 21 поперечной чертой на заканчивающемся там проводе. Интегрированные датчики 31 защитного выключателя 25 в случае неисправности, если в другом месте возникает короткое замыкание на массу транспортного средства, детектируют возникновение высоких токов короткого замыкания, и система управления размыкает выключатель 25. Система управления может быть интегрирована в узел выключателя или выполнена отдельно.
Поскольку между нулевой точкой 26 и массой транспортного средства при замкнутом защитном выключателе 25 теоретически может протекать очень сильный ток, до тех пор, пока защитный выключатель 25 еще не разомкнулся, система 22 управления инвертором 13 вспомогательных приводов, предпочтительно, конструктивно выполнена так, что подобные чрезвычайно высокие токи предотвращаются посредством соответствующего управления инвертором 13. Для этого, например, измеряются токи по фазам X, Y, Z и результаты измерений передаются системе 22 управления. Система 22 управления анализирует, не превышены ли предельные значения в отдельных фазах и/или суммарное значение для всех фаз. Если это так, то отдельная фаза или все три фазы X, Y, Z работают в таком режиме, что токи снова ограничены соответствующим предельным значением. Подобная концепция для соответствующего управления вентилями инвертора 13 сама по себе известна. Изобретение применяет этот принцип лишь в ситуации в случае системы 20 вспомогательных приводов. Благодаря индуктивной связи первичной обмотки и вторичной обмотки трансформатора 14, токи таким способом ограничиваются также и во вторичной обмотке, и экстремально высокие токи через замкнутый защитный выключатель 25 не могут возникать до тех пор, пока он разомкнут.
В качестве защитного выключателя можно использовать известные конструктивные элементы, которые (как упоминалось) имеют соответствующую сенсорику, чтобы разомкнуть защитный выключатель при высоком токе в соответствии с временной характеристикой срабатывания. Поэтому другое понятие для защитного выключателя - это защитный автомат.