ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МУЛЬТИСИСТЕМА ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ELECTRIC MULTISYSTEM FOR RAIL VEHICLE

Область техники, к которой относится изобретение и уровень техники
Данное изобретение относится к электрической мультисистеме, выполненной с возможностью размещения на борту рельсового транспортного средства и которая содержит:
первое соединительное средство, выполненное с возможностью соединения по одной за раз либо первой точки соединения электрической системы с контактным проводом переменного тока, либо второй точки соединения электрической системы c контактным проводом постоянного тока;
трансформатор, содержащий первичную обмотку, с которой соединена первая точка соединения;
линейный преобразователь, с которым соединена вторичная обмотка трансформатора и который имеет, по меньшей мере, один мост с двумя плечами фаз, соединенными параллельно между противоположными полюсами промежуточного звена постоянного тока, каждое из которых имеет, по меньшей мере, два вентиля тока, соединенных последовательно, причем каждый упомянутый вентиль тока содержит отключающее полупроводниковое устройство и выпрямительный элемент, соединенный с ним встречно-параллельно, при этом средняя точка каждого плеча фазы делит плечо фазы на две идентичные половины, соединяемые с упомянутой вторичной обмоткой трансформатора; и
блок управления, выполненный с возможностью управления вентилями тока линейного преобразователя путем управления его упомянутыми полупроводниковыми устройствами.
Такие электрические мультисистемы представляют интерес на борту рельсовых транспортных средств, привод которых возможен как на участках рельсов, питаемых контактным проводом переменного тока, так и на участках рельсов, питаемых контактным проводом постоянного тока. При переходе с одной из секций рельсов этих типов на секции рельсов другого типа, упомянутое соединительное средство примет меры к изменению типа электрической энергии - переменного тока или постоянного тока - питаемой электрической системы на тот, который отличается от ранее используемого, что обеспечивает работу электрических двигателей для приведения транспортного средства в движение и возбуждение другого электрического оборудования транспортного средства так же, как и прежде.
Изобретение не ограничивается такими электрическими мультисистемами для рельсовых транспортных средств какого-либо особого типа, а рельсовое транспортное средство может относиться к любому возможному типу. Изобретение не ограничивается какими-либо конкретными уровнями напряжения ни контактного провода переменного тока, ни контактного провода постоянного тока, посредством которых питается система. В рамках этого описания, термин «контактный провод постоянного тока» будет относиться и к возможности третьего рельсового контактного провода (как в Соединенном Королевстве), и к возможности подвесного контактного провода постоянного тока, например, такого, как для «трамвая-электрички».
На фиг.1 схематически изображена возможная конструкция электрической системы того типа, которая описана во вводной части описания, без имеющегося ее возможного соединения с показанным контактным проводом постоянного тока, и теперь будет описано строение этой известной системы, чтобы облегчить понимание данного изобретения. Показано то, как электрическая энергия подается на рельсовое транспортное средство 1 с контактного провода 2 переменного тока и используется в этом транспортном средстве. Транспортное средство выполнено с возможностью перемещения вдоль контактного провода 2 переменного тока, который может проводить, например, однофазное напряжение переменного тока с параметрами 15 кВ и 16 2/3 Гц (в (Швеции) или 25 кВ и 50 Гц (в Дании). Транспортное средство имеет трансформатор 3 для преобразования напряжения от присутствующего на контактном проводе 2 до приемлемого уровня. Рассматриваемый здесь трансформатор имеет первичную обмотку 4 и две вторичные обмотки 5, 6, одна из которых соединена с линейным преобразователем 7 для подачи на его выходе напряжения постоянного тока, например, 1,5-3 кВ, такого, как 1,65 кВ. Это постоянное напряжение промежуточного звена 18 постоянного тока подается во вспомогательный преобразователь 8, управление которым осуществляет блок 9 управления, для генерирования последовательности импульсов, соответствующей кодовой комбинации широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для подачи на выходе преобразователя трехфазного напряжения переменного тока. Выход вспомогательного преобразователя 8 соединен с трехфазным трансформатором 10, а также фильтрами 11 гармоник для сглаживания напряжения переменного тока, подаваемого распределительной сетью 12 к гнездам, расположенным в рельсовом транспортном средстве, таким, как предназначенные для подсоединения компьютеров и осветительных, нагревательных и других электрических приборов.
Другая вторичная обмотка 5 трансформатора соединена с линейным преобразователем 13, выполненным с возможностью подачи присутствующего на его выходе напряжения постоянного тока в промежуточное звено 14 постоянного тока, образующее вход в преобразователь 15 двигателя, управляемый блоком 16 управления так же, как блок 9 управления осуществляет управление для подачи трехфазного напряжения переменного тока, присутствующего на выходе преобразователя двигателя, на двигатели 17 в виде электрических машин для приведения транспортного средства в движение.
Электрическая система, показанная на фиг.1, представляет собой систему переменного тока, и существуют различные варианты превращения ее в мультисистему, также обеспечивающую подачу в нее электрической энергии в форме энергии, подводимой посредством контактного провода постоянного тока. Один такой вариант заключается в разработке упомянутого соединительного средства для соединения контактного провода постоянного тока через дроссель линейного фильтра с промежуточным звеном 14 постоянного тока для подачи электрической энергии в электрические двигатели, движущие транспортное средство, и создания соответствующего соединения контактного провода постоянного тока с промежуточным звеном 18 постоянного тока, соединенным со вспомогательным преобразователем 8. Тогда соответствующий линейный преобразователь 13, 7 окажется неактивным. Это приведет к приложению напряжения хорды постоянного тока к соответствующему двигателю и вспомогательному преобразователю, которое изменяется в широком диапазоне, например, таком, как между 500 В и 1000 В для контактного провода постоянного тока с номинальным напряжением 750 В и между 1000 В и 1950 В для контактного провода постоянного тока с номинальным напряжением 1500 В. Это происходит потому, что величина напряжения постоянного тока, подаваемого в электрическую систему транспортного средства будет зависеть от текущего местонахождения транспортного средства вдоль контактного провода и от того, эксплуатируются ли другие рельсовые транспортные средства на том же участке рельсов, что и данное транспортное средство.
Другим вариантом является питание звена 14, 18 постоянного тока через выделенный прерыватель постоянного тока с помощью выделенного индуктора прерывателя при подаче с контактного провода постоянного тока. Это известно из документа EP 2695763 A2, в котором вторичная обмотка трансформатора затем используется в качестве индуктора линейного фильтра.
Дополнительный вариант описан в проспекте ʺHigh speed dual voltage locomotiveʺ («Высокоскоростной локомотив на два напряжения») фирмы Ingeteam Traction от 09/2008. В этой системе напряжение линии постоянного тока может быть подключено к одному концу вторичных обмоток, при этом другие концы по-прежнему соединены с фазой линейного преобразователя. Тогда вторичные обмотки действуют как индукторы линейного фильтра, при этом линейный ток достигает промежуточного звена постоянного тока через диод в верхней части плеча фазы линейного преобразователя. Если линейный преобразователь, с которым соединена вторичная обмотка, переключают, он может работать как прерыватель постоянного тока для получения снижения диапазона возможных уровней напряжения, подаваемого в упомянутое промежуточное звено постоянного тока, поскольку в данном случае нет отдельного конденсатора линейного фильтра и отдельного индуктора прерывателя, упомянутый эффект достигается за счет линейной гармоники частоты прерывателя. Кроме того, поскольку контактный провод постоянного тока соединен с одним концом вторичной обмотки трансформатора, использовать можно лишь одно из плеч фаз каждого моста в линейном преобразователе, так как результатом управления другим плечом фазы стало бы короткое замыкание между напряжением постоянного тока и «землей». Это приводит не только к низкому уровню электрической энергии, передаваемой через линейный преобразователь, но и к тому, что из-за низкой частоты переключения оказывается возможным высокий ток гармоник.
Сущность изобретения
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать электрическую мультисистему того типа, которая рассмотрена выше, улучшая ее, по меньшей мере, в некоторых аспектах по отношению к таким системам, уже известным.
Эта задача в соответствии с изобретением решается путем разработки такой электрической мультисистемы с признаками, перечисленными в отличительной части п.1 прилагаемой формулы изобретения.
За счет разделения вторичной обмотки трансформатора на две половины, соединенные последовательно, и разработки второго соединительного средства для подключения напряжения постоянного тока ко вторичной обмотке путем подключения его к средней точке вторичной обмотки трансформатора между этими двумя половинами, линейным преобразователем можно управлять - наряду с индуктивностью каждой половины вторичной обмотки, используемой в качестве индуктора прерывателя с повышением напряжения, - так, чтобы он действовал как прерыватель постоянного тока для регулирования уровня напряжения постоянного тока, подаваемого в промежуточное звено постоянного тока. Эта конструкция позволяет использовать оба плеча фаз линейного преобразователя, что приводит к передаваемой электрической энергии, вдвое превышающей ту, которая передавалась бы напряжением постоянного тока, подключенным к одному концу вторичной обмотки, и тогда частота пульсаций линейного тока тоже оказывается вдвое выше, что приводит к меньшему содержанию гармоник. Путем использования линейного преобразователя совместно с индуктивностью вторичной обмотки в качестве прерывателя постоянного тока, напряжение, подаваемое на промежуточное звено постоянного тока, можно регулировать за счет надлежащего управления линейным преобразователем, так что конструкцию и габариты остальной электрической системы можно оптимизировать для узкого диапазона напряжений звена постоянного тока, несмотря на то, что линейное напряжение постоянного тока, подаваемое на транспортное средство, изменяется в гораздо более широком диапазоне, например, 500-1000 В постоянного тока или 1000-1950 В постоянного тока. Система для номинальных линейных напряжений 750 В постоянного тока и 25 кВ или 15 кВ переменного тока может в обоих режимах - переменного тока и постоянного тока - иметь линейный преобразователь, регулирующий промежуточное звено постоянного тока до достижения напряжения, превышающего максимальное значение, достигаемое без переключения полупроводникового переключателя прерывателя постоянного тока, например - 1800 В постоянного тока. Очень простую систему можно также использовать для того же линейного напряжения переменного тока, а для линейного напряжения постоянного тока - с достижением, превышающем значение в промежуточном звене постоянного тока после регулирования; например, когда линейное напряжение постоянного тока после регулирования составляет 1800 В постоянного тока, его можно использовать для линий постоянного тока с номинальным линейным напряжением 1500 В постоянного тока, т.е., с диапазоном 1000-1950 В. В этом последнем случае линейный преобразователь, работающий как прерыватель постоянного тока, будет способен увеличивать и регулировать любое линейное напряжение ниже желательного уровня напряжений звена постоянного тока, например - 1800 В, а когда линейное напряжение превысит этот уровень, это более высокое напряжение неизбежно достигнет звена постоянного тока через выпрямительные элементы верхних половин плеч фаз, и напряжение звена постоянного тока больше не регулируется. В обоих случаях, однако, более узкий диапазон напряжений звена постоянного тока означает, что большинство компонентов системы можно использовать совместно с электрической системой, построенной только для подачи линейного напряжения переменного тока, тем самым уменьшая затраты на проектирование, материалы и производство. Появляется возможность спроектировать даже мультисистему, которая сможет работать на двух разных линейных напряжениях постоянного тока и, по меньшей мере, одном линейном напряжении переменного тока, такую, как рассчитанную для трамвайных линий напряжением 750 В постоянного тока и 1500 В постоянного тока и для магистралей поездов дальнего следования напряжением 25 кВ переменного тока во Франции или линий напряжением 1500 В постоянного тока и 25 кВ переменного тока во Франции и линий напряжением 3 кВ постоянного тока и 25 кВ переменного тока в Италии, а для каждого из этих напряжений контактных проводов будет иметь место напряжение промежуточного звена постоянного тока, поддерживаемое в узком диапазоне, так что для этого узкого диапазона напряжений звеньев постоянного тока оказывается возможной оптимизация наибольшей части системы.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, электрическая мультисистема содержит средство, выполненное с возможностью определения уровня напряжения на промежуточном звене постоянного тока, когда второе соединительное средство соединяет среднюю точку вторичной обмотки трансформатора со второй точкой соединения, и электрическая мультисистема содержит средство, выполненное с возможностью сравнения уровня этого напряжения промежуточного звена постоянного тока с некоторым заранее определенным уровнем, а конфигурация блока управления обеспечивает управление линейным преобразователем для подачи напряжения постоянного тока на промежуточное звено постоянного тока на уровне, приближающемся к упомянутому заранее определенному уровню. Здесь определение «приближающийся» употребляется для указания, что управление линейным преобразователем происходит таким образом, что уровень напряжения постоянного тока, подаваемого на промежуточное звено постоянного тока, не обязательно оказывается точно таким же, как упомянутый заранее заданный уровень, а может быть - по разным причинам - выбран с целью мгновенного увеличения уровня с 500-1000 В до 1650-1800 В, хотя заранее определенный уровень составляет 1800 В.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, конфигурация блока управления обеспечивает управление вентилями тока упомянутых, по меньшей мере, двух плеч фаз линейного преобразователя с целью подавления гармоник. Эта цель будет достигаться посредством перемежения кодовых комбинаций ШИМ во всех фазах прерывателя. Термин «перемежение» означает, что разные импульсы в разных фазах, подключенных к одному и тому же источнику питания, синхронизированы и равномерно распределены во времени, вследствие чего суммарный линейный ток (или ток нагрузки) имеет пульсацию тока как в случае, если бы частота переключения была бы выше, чем фактическая частота каждой из фаз.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения упомянутый линейный преобразователь имеет два упомянутых моста, соединенные параллельно с упомянутым промежуточным звеном постоянного тока, а трансформатор содержит две упомянутые вторичные обмотки, каждая из которых разделена на две половины и соединена с упомянутым мостом каждого линейного преобразователя.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, электрическая система содержит преобразователь двигателя, соединенный с промежуточным звеном постоянного тока и управляемый блоком управления, для подачи трехфазного напряжения переменного тока, присутствующего на его выходе, на один или несколько двигателей в виде электрических машин для приведения транспортного средства в движение. Конструкция электрической мультисистемы в соответствии с изобретением будет гарантировать, что преобразователь двигателя всегда будет получать напряжение постоянного тока, пригодное для снабжения электрических двигателей желаемым напряжением переменного тока.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, электрическая мультисистема имеет два линейных преобразователя, каждый из которых соединен с упомянутым промежуточным звеном постоянного тока, и тогда одно из промежуточных звеньев постоянного тока может быть соединено со вспомогательным преобразователем, соединенным через дополнительный трансформатор с гнездами распределительной сети в рельсовом транспортном средстве, такими, как предназначенные для подсоединения компьютеров и осветительных, нагревательных и других электрических приборов, как показано на фиг.1. Вместе с тем, возможно также наличие двух линейных преобразователей, соединенных параллельно с одним и тем же промежуточным звеном постоянного тока.
Изобретение также относится к способу управления электрической мультисистемой на борту рельсового транспортного средства в соответствии независимым пунктом прилагаемой формулы изобретения. Преимущества такого способа и варианта его осуществления, охарактеризованные в зависимом пункте формулы изобретения на способ, становятся очевидными из вышеизложенного рассмотрения электрической мультисистемы согласно данному изобретению.
Изобретение также относится к рельсовому транспортному средству, содержащему электрическую мультисистему в соответствии с данным изобретением.
Дополнительные преимущества, а также преимущественные признаки изобретения станут очевидными из нижеследующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже, со ссылками на прилагаемые чертежи, приводится - в качестве примеров - конкретное описание вариантов осуществления изобретения.
На чертежах:
на фиг.1 представлен весьма схематический вид, иллюстрирующий известную электрическую систему, показанную для пояснения данного изобретения;
на фиг.2 представлен весьма схематический вид принципиальной схемы электрической мультисистемы в соответствии с вариантом осуществления изобретения; и
на фиг.3 представлена принципиальная схема части электрической системы, показанной на фиг.2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теперь, со ссылками на фиг.2 и 3 наряду с фиг.1, будет приведено описание конкретных признаков изобретения - электрической мультисистемы, располагаемой на борту рельсового транспортного средства, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Элементы системы, показанной на фиг.1, обозначены на фиг.2 и 3 теми же позициями, что и на фиг.1. Поскольку изобретение направлено главным образом на совершенствование работы системы, когда та соединена с контактным проводом постоянного тока, последующее описание будет сосредоточено на такой работе системы.
Контактный провод 20 постоянного тока имеет индуктивность 21 линии. В зависимости от требований электромагнитной совместимости может понадобиться добавление отдельного индуктора к индуктивности линии, и здесь показан дроссель 100 фильтра линии. Схематически проиллюстрировано, как воплощена конфигурация первого соединительного средства 22 в виде системного переключателя на два направления, обеспечивающая соединение по одной за раз либо первой точки «a» соединения электрической системы с контактным проводом переменного тока, либо второй точки соединения электрической системы c контактным проводом «b» постоянного тока, причем для этих соединений с источником переменного тока и постоянного тока один и тот же пантограф 23 используется для контактных проводов обоих типов. На практике, в большинстве случаев потребуется наличие двух отдельных разъединителей, один - для переменного тока и один - для постоянного тока, чтобы они выполняли свою функцию, в данном случае - обеспечивали простоту, давая представление об упомянутом первом соединительном средстве 22, поскольку напряжения поступают с разных клемм. Для зарядки конденсатора 25 предусмотрена не показанная цепь зарядки, которую можно обеспечить без срабатывания плавких предохранителей источников питания, которые тоже не показаны. Этот конденсатор 25 выполняет свою основную функцию как фильтрующий компонент. В данном случае, каждый линейный преобразователь 13, 7 имеет два моста 26 того типа, которые показанны на фиг.3, соединенные параллельно с соответствующим промежуточным звеном 14, 18 постоянного тока. Каждый такой мост имеет два плеча 27, 28 фаз, соединенные параллельно между противоположными полюсами 29, 30 промежуточного звена постоянного тока, а каждое плечо фазы имеет два вентиля 31-34 тока, соединенных последовательно. Каждый вентиль тока имеет отключающее полупроводниковое устройство 35-38, такое, как биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ), и выпрямительный элемент 39-42, такой как выпрямительный диод, соединенные друг с другом встречно-параллельно. Средние точки 43, 44 обоих плеч фаз соединены с разными концами вторичной обмотки 80 совместно. На фиг.2 схематически проиллюстрировано, как трансформатор 3 для каждого линейного преобразователя имеет две вторичные обмотки 80, 81 и 82, 83, соединяемые с мостом каждого соответствующего линейного преобразователя, и показано, что каждая такая вторичная обмотка разделена на две половины 51-54, 61-64.
На фиг.3 показано, как напряжение постоянного тока подключено к средней точке 55 между соответствующими двумя вторичными обмотками 51, 52. Вторые соединительные средства для этого схематически изображены на фиг.2 и обозначены позициями 70, 71. Блок управления 19, выполненный с возможностью управления показанными на фиг.3 вентилями тока линейного преобразователя, будет делать это, управляя своими полупроводниковыми устройствами 35-38, а когда электрическая система соединена с контактным проводом постоянного тока, конфигурация этого блока управления обеспечивает управление линейным преобразователем совместно с индуктором каждой половины 51, 52 вторичной обмотки, используемой как индуктор прерывателя постоянного тока с повышением напряжения, и действие в качестве прерывателя постоянного тока для регулирования уровня напряжения постоянного тока, подаваемого на конденсатор 72 промежуточного звена 14 постоянного тока. Позицией 73 показано, как блок 19 управления может принимать информацию о фактическом уровне напряжения промежуточного звена постоянного тока, подаваемого в электрическую систему, для рассмотрения этого уровня при управлении мостами линейного преобразователя 13 как прерывателем постоянного тока для получения уровня напряжения, желательного на промежуточном звене 14 постоянного тока. Это значит, что если преобразователь 15 двигателя и двигатель 17 рассчитаны на номинальное напряжение 1800 В постоянного тока, а контактный провод постоянного тока подает в электрическую систему напряжение постоянного тока, составляющее лишь 500-900 В постоянного тока, блок управления 19 может управлять линейным преобразователем 13, повышая напряжение до 1800 В постоянного тока или до близкого к этому уровня.
Подключая напряжение постоянного тока к средней точке 55 вторичной обмотки, вентилями тока обоих плеч 27, 28 фаз можно управлять с перемежением для снабжения промежуточного звена 14 постоянного тока электрической энергией с частотой пульсаций, вдвое превышающей соответствующую напряжению постоянного тока, подключаемому к одной стороне вторичной обмотки, и можно использовать лишь одно из плеч фаз в качестве прерывателя, что приводит к меньшему содержанию гармоник, а также получению вдвое большей электрической энергии, переносимой через линейный преобразователь.
Конечно же, изобретение, никоим образом не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, а многие возможности внесения изменения в рамках объема притязаний изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения, должны быть очевидны специалисту в данной области техники.
Количество линейных преобразователей электрической системы может отличаться от показанного и быть таким, как 1 или 3. Каждый вентиль тока может иметь множество полупроводниковых устройств, соединенных последовательно и управляемых как одиночный переключатель. Упомянута лишь пара возможных модификаций.
Подчеркнем, что в том смысле, в каком он употребляется в этом описании, термин «соединить» не означает, что соединение обязательно осуществляют без каких-либо промежуточных частей в соединительной линии между двумя частями, соединенными друг с другом. На практике, упомянутое второе соединительное средство будет соединять, например, среднюю точку вторичной обмотки посредством одной или нескольких частей со второй точкой соединения. Но такие части не показаны на чертежах для простоты изображения. То же самое можно сказать также о соединении цепи зарядки со второй точкой соединения.