Способ и электрическая цепь для преобразования электрической энергии

 

Изобретение относится к электрическому оборудованию рельсовых транспортных систем, в которых транспортные средства получают приводную энергию из сетей постоянного или переменного тока с различным сетевым напряжением. Предложена многосистемная концепция, пригодная при незначительных коммутационных операциях и без лишних потерь мощности как для задаваемого напряжения переменного тока, например 15 кВ, так и для обычных в тяговом приводе напряжений постоянного тока 1,5 и 3 кВ. Для этого трехфазные обмотки двигателей, каждая из которых состоит из нескольких частей, работают в параллельном соединении независимо от вида питающей энергетической сети. Данная группа изобретений расширяет область применения рельсовых транспортных систем с электрическим приводом, обеспечивая возможность их использования при переездах из одной страны в другую с разными контактными сетями. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу и электрической цепи для преобразования электрической энергии.

Уровень техники Изобретение базируется на уровне техники, известном из патента DE 4138256. В нем описана двухсистемная концепция тягового привода, предназначенного для сетевого переменного напряжения 15 кВ, 16 2/3 Гц и сетевого постоянного напряжения 3 кВ. Приводные двигатели питаются через один или два инвертора от промежуточного звена постоянного напряжения. В случае сети переменного тока промежуточное звено постоянного напряжения питается через два включенных параллельно регулятора (с характеристикой в четырех квадрантах), а в случае сети постоянного напряжения - через два последовательно включенных регулятора постоянного напряжения.

Сущность изобретения Изобретение решает задачу усовершенствования вышеуказанного способа и электрической цепи для преобразования электрической энергии таким образом, чтобы это преобразование можно было осуществить при меньших затратах технических средств. Для этого нужно сократить как объем электромонтажных работ, так и уменьшить транспортируемые массы, прежде всего в поворотной тележке тягового привода.

Сущность изобретения заключается в том, что при работе от первого источника энергии с постоянным напряжением первая часть обмотки двигателя соединена со вторым вентильным преобразователем тока, в то время как вторая часть обмотки двигателя - с первым вентильным преобразователем тока, а при работе от второго источника энергии с переменным напряжением обе части обмотки, т. е. первая и вторая части обмотки, подключены параллельно к второму вентильному преобразователю тока.

Предпочтительная форма исполнения состоит в том, что при питании энергией от источника постоянного напряжения уменьшение высших гармоник сетевого тока достигается путем фазового сдвига исходного напряжения обоих вентильных преобразователей тока, вследствие чего обеспечивается уменьшение добавочных потерь в двигателе, а также пульсирующих моментов.

Существенное преимущество изобретения заключается в том, что при нем уменьшается число применяемых кабелей для подключения двигателя и число применяемых распределителей трехфазного тока. Упрощается коммутационная аппаратура для переключения источников энергии с различным напряжением, а также уменьшается масса монтируемых кабелей в поворотной тележке. Требуются лишь немногие критические коммутационные операции. В этой связи критическими коммутационными операциями являются операции внутри промежуточного звена постоянного напряжения в преобразователе, поскольку там необходимо монтировать переключатели с очень низкой индукцией.

Изобретение базируется на двухточечной схемотехнике и не требует регуляторов с высокой или низкой настройкой и соответствующих дросселей.

При преобразовании электроэнергии от источников постоянного напряжения требуется лишь однократное превращение энергии.

Краткое описание чертежей Ниже изобретение описывается на примере исполнения. В частности, показаны: на фиг. 1 - многосистемная схема привода с вентильным преобразователем и двумя машинами, имеющими по две части обмоток на каждую фазу переменного тока в соединении звездой при работе в сети постоянного напряжения; на фиг. 2 - многосистемная схема привода при работе в сети переменного напряжения.

Одинаковые детали обозначены на чертежах одинаковым образом, причем показаны лишь важные для понимания изобретения элементы.

Пути исполнения изобретения На фиг. 1 номером 1 обозначен источник энергии, в данном случае сеть постоянного напряжения U1, равного 3 кВ, которая питает через токоприемник промежуточное звено постоянного напряжения ZK вентильного преобразователя 2, ZK, 8.

Первый вентильный преобразователь тока 2 состоит из четырех частичных преобразователей, параллельно подключенных на стороне постоянного тока. Оба верхних частичных преобразователя могут быть соединены через первый выключатель S1 c первой вторичной обмоткой SW1 сетевого трансформатора Т, который на первичной стороне подключен к сети переменного напряжения 12 с переменным напряжением U2, равным 15 кВ, 16 2/3 Гц. Оба нижних частичных преобразователя первого преобразователя 2 могут быть соединены через второй выключатель S2 со второй первичной обмоткой SW2 сетевого трансформатора Т. Обозначенный номером 2.1 верхний частичный преобразователь первого преобразователя 2 применяется в тормозном режиме работы потребителя переменного тока, т. е. двигателя или электрической машины 11, 11' в соединении с выключателем SII и тормозным сопротивлением R1 в качестве регулятора тормозной энергии или ограничителя мгновенного напряжения, чтобы избежать нежелательных перенапряжений. Параллельно первому преобразователю 2 в промежуточном звене постоянного напряжения ZK включен первый конденсатор промежуточного звена С1.

Первый преобразователь 2 через промежуточное звено постоянного напряжения ZK включен последовательно с инвертором или вторым преобразователем 8, причем положительный полюс 3 первого преобразователя 2 подключен к сети постоянного напряжения U1, отрицательный полюс 4 первого преобразователя 2 через пятый выключатель S5 соединен с положительным полюсом 5 второго преобразователя 8, а отрицательный полюс 6 второго преобразователя 8 через дроссель фильтра L, девятый выключатель S9 и по меньшей мере одну ось 9 транспортного средства соединен с рельсом 10 и заземлен. Параллельно второму преобразователю 8 в промежуточном звене постоянного напряжения ZK подключен второй конденсатор С2 промежуточного звена и тормозной регулятор с тормозным сопротивлением R2 или мгновенный ограничитель напряжения 7, чтобы устранить нежелательные перенапряжения и вывести их через тормозное сопротивление R2.

Электрические машины 11, 11' имеют трехфазные обмотки двигателя или статора, которые разделены на симметричные трехфазные обмоточные системы или на первую и вторую части обмотки MW1, MW2, каждая из которых имеет одинаковое число витков. Обе части обмотки MW1, MW2 смонтированы по схеме звезды и разделены друг от друга седьмым выключателем S7. Соединенные седьмым выключателем S7 концы второй части обмотки MW2 соединены через восьмой выключатель S8 и трехфазные провода Р', S', Т' с выходами переменного напряжения трех нижних частичных преобразователей тока первого преобразователя 2. Соединенные седьмым выключателем S7 концы первой части обмотки MW1 подключены через трехфазные линии R, S, Т к выходам переменного напряжения второго преобразователя 8.

Изображенные на схеме положения с подключенными на стороне постоянного напряжения последовательно первым преобразователем 2 и вторым преобразователем 8 соответствуют питанию включенных по схеме звезды электрических машин 11, 11' из сети 1 постоянного напряжения 3 кВ. Если сеть 1 постоянного напряжения не в состоянии принять накопленную тормозную энергию, последняя должна превратиться в тормозных сопротивлениях R1, R2 в тепло. В этом положении конденсаторы С1 и С2 промежуточного звена в параллельном соединении служат опорными конденсаторами для сглаживания напряжения в промежуточной цепи ZK постоянного напряжения. Конденсатор С3, который через переключатель 6 тоже подключен параллельно конденсаторам С1 и С2, служит для той же цели сглаживания напряжения.

На фиг. 2 показана схема работы от сети 12 переменного напряжения. Переключение от сети 1 постоянного напряжения к сети 12 переменного напряжения происходит в обесточенном состоянии, причем выключатели S1, S2, S3, S4, S7 и S10 замкнуты, а выключатели S5, S8, S9 и S11 разомкнуты. Переключатель S6 переключается таким образом, что конденсатор С3 и катушка L включаются последовательно. При этом токоприемник сети 1 постоянного напряжения втягивается. Части обмотки MW1, MW2 электрических машин 11, 11' включены параллельно. Первый преобразователь 2, который в режиме работы от постоянного напряжения служит преобразователем потребительской линии или инвертором, служит теперь преобразователем сетевого тока или выпрямителем. Дроссель фильтра L действует теперь вместе с подключенным последовательно конденсатором С3 в качестве отсасывающего контура для компенсации пульсирующей мощности сети. Целесообразно рассчитать отсасывающий контур на двойную частоту сети, причем он требуется только при однофазной сети переменного напряжения.

При питании электрических машин 11, 11' от сети переменного напряжения можно в нормальном случае возвращать тормозную энергию в сеть переменного напряжения, причем второй преобразователь выполняет роль выпрямителя, а первый преобразователь 2 - инвертора. Все смонтированные выключатели могут приводиться в действие вручную, электродвигателями, пневматикой или гидравликой. В качестве управляемых электрических вентилей в преобразователях 2, 8 и 7 применяются полупроводниковые ключи. В соответствии с современным состоянием техники могут быть применены, например, тиристоры GТО или транзисторы. Важное значение имеет то, что обмотки двигателей MW1, MW2 как в режиме работы от сети переменного напряжения, так и в режиме работы от сети постоянного напряжения действуют в параллельном включении. Поэтому число подводов к двигателю может быть ограничено шестью, т. е. в каждой обмотке MW1, MW2 для питания трехфазным током имеется три провода к двигателю. Для возможного последовательного включения частей обмоток MW1, MW2 можно обойтись без трехфазного выключателя и трех дополнительных проводов к двигателю, поскольку в этих частях отсутствует сколько-нибудь заметная разница в напряжениях при режиме работы от сети постоянного напряжения и режиме работы от сети переменного напряжения.

В режиме переменного напряжения напряжение в промежуточном звене равно 2 кВ. Отсюда получается определенное максимальное напряжение основной гармоники на зажимах, на которое должен быть рассчитан двигатель 11, 11'. При этом стабилизированном напряжении в промежуточном звене, равном 2 кВ, в режиме работы от источника переменного напряжения можно прежде всего путем применения конструктивных элементов данного класса напряжения достигнуть экономии с точки зрения размеров, веса и стоимости.

Напряжение в промежуточном звене в режиме постоянного напряжения для включенных последовательно преобразователей 2 и 8 составляет примерно 1,5 кВ при максимуме до 2,1 кВ. Тем самым, для обмоток двигателя обеспечивается то, что магнитная индукция в воздушном зазоре главного поля возбуждения в двигателе 11, 11' примерно одинакова в режимах работы от постоянного или переменного напряжения.

Две обмоточные системы в двигателе 11, 11' можно сдвинуть на угол 30^o/р или же выполнить в виде обмоток с числом полюсов 2р (р - число пар полюсов). Благодаря сдвинутому расположению трехфазных обмоток MW1, MW2 значительно уменьшаются пульсирующие моменты в двигателе. Каждая часть обмотки MW1, MW2 электрической машины 11, 11' может быть, разумеется, смонтирована и применена не по схеме звезды, а по схеме треугольника.

Благодаря сдвинутой подаче тактовых импульсов в инверторы при режиме работы от постоянного напряжения в промежуточном звене ZK постоянного напряжения достигается снижение обратного воздействия на сеть.

Разумеется, обмотки двигателей 11, 11' можно разделить и на части MW1, MW2, число которых превышает два. В этом случае нужно применить более двух приводных вентильных преобразователей. Тогда можно распространить многосистемную структуру на меньшие постоянные напряжения сети.

Если многосистемную структуру требуется распространить на другие переменные напряжения сети, например 25 кВ, то надо выбрать сетевые трансформаторы с другими коэффициентами трансформации. Возможно также применение с сетью постоянного напряжения 1,5 кВ. Вместо электрической машины 11, 11' можно было бы также предусмотреть непоказанный трансформатор, который, например, подключен к другой сети переменного напряжения и служит потребителем переменного тока в данной системе передачи энергии.

Список обозначений 1 - сеть постоянного напряжения, источник энергии, 2 - первый вентильный преобразователь тока, выпрямитель, сетевой преобразователь, 2.1 - тормозной регулятор, частичный преобразователь 2,
3 - положительный полюс преобразователя 2,
4 - отрицательный полюс преобразователя 2,
5 - положительный полюс преобразователя 8,
6 - отрицательный полюс преобразователя 8,
7 - тормозной регулятор или ограничитель мгновенного напряжения,
8 - второй вентильный преобразователь или инвертор, преобразователь потребительской линии,
9 - ось транспортного средства,
10 - рельс,
11, 11' - электрическая машина, электродвигатель, потребитель энергии переменного тока,
12 - сеть переменного напряжения, источник энергии,
C1, C2 - конденсаторы промежуточного звена,
С3 - конденсатор,
L - дроссель фильтра, дроссель отсасывающего контура,
MW1 - первая часть обмотки машины 11, 11',
MW2 - вторая часть обмотки машины 11, 11',
R1, R2 - тормозные сопротивления,
Р, S, Т; Р' S', Т' - трехфазные провода, фазы переменного тока,
S1 - S11 - выключатели, переключатели, коммутационные устройства,
SW1, SW2 - вторичные обмотки трансформаторов Е,
Т - сетевые трансформаторы,
U1 - постоянное напряжение,
U2 - переменное напряжение,
ZK - промежуточное звено постоянного напряжения,
^o - угол сдвига фаз, фазовый угол.

Формула изобретения

1. Способ преобразования электрической энергии, при котором электрическую энергию из, по меньшей мере, одного первого источника энергии (1) с задаваемым постоянным напряжением (U1) и второго источника энергии (12) с задаваемым переменным напряжением (U2) через, по меньшей мере, один сетевой вентильный преобразователь электроэнергии, т. е. первый преобразователь тока (2), и, по меньшей мере, один преобразователь потребительской линии, т. е. второй вентильный преобразователь тока (8), преобразуют в электроэнергию для электрического агрегата или потребителя переменного тока (11, 11'), который имеет на каждую фазу переменного тока (R, S, Т), по меньшей мере, первую часть обмотки (MW1) и вторую часть обмотки (MW2), причем эти части обмотки (MW1, MW2) представляют собой раздельные друг от друга токопроводящие обмотки, отличающийся тем, что перед переключением от второго источника энергии (12) с задаваемым переменным напряжением (U2) на первый источник энергии (1) с задаваемым постоянным напряжением (U1) параллельные части обмотки (MW1, MW2), запитываемые вторым преобразователем (8), разделяют друг от друга, причем вторую часть обмотки (MW2) соединяют с первым преобразователем (2), а первую часть обмотки оставляют соединенной со вторым преобразователем (8), вследствие чего различные части обмотки (MW1, MW2) питают от разных преобразователей (2, 8), а перед переключением от первого источника энергии (1) с задаваемым постоянным напряжением (U1) на второй источник энергии (12) с задаваемым переменным напряжением (U2) раздельные части обмотки (MW1, MW2) потребителя переменного тока (11, 11') каждой фазой переменного тока (R, S, Т) подключают электрически параллельно второму преобразователю (8), причем вторую часть обмотки (MW2) отделяют от первого преобразователя (2), а первый преобразователь (2) из режима работы в качестве преобразователя потребительской линии переключают на режим работы в качестве сетевого преобразователя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при питании энергией из источника постоянного напряжения (U1) различные части обмотки (MW1, MW2) для уменьшения обратного воздействия на сеть выполняют работающими при взаимном фазовом сдвиге выходного напряжения различных преобразователей тока (2, 8).

3. Устройство для преобразования электрической энергии, содержащее соединенные с первым источником энергии (1), создающим постоянное напряжение (U1), или со вторым источником энергии (12), создающим переменное напряжение (U2), первый вентильный преобразователь (2) и второй вентильный преобразователь (8), соединенный на стороне переменного тока с электрическим агрегатом или, по меньшей мере, с потребителем переменного тока (11, 11'), имеющим в каждой фазе переменного тока (R, S, Т), по меньшей мере, первую часть обмотки (MW1) и вторую часть обмотки (MW2), отличающееся тем, что при питании первого преобразователя (2) и второго преобразователя (8) от первого источника энергии (1) с постоянным напряжением (U1) первая часть обмотки (MW1) соединена со вторым преобразователем (8), а вторая часть обмотки (MW2) - с первым преобразователем (2), причем преобразователи (2, 8) работают в качестве инверторов, части обмотки (MW1, MW2) при питании первого преобразователя (2) от второго источника энергии (12) с переменным напряжением (U2) подключены параллельно второму преобразователю (8), причем первый преобразователь (2) работает в качестве выпрямителя, а второй преобразователь (8) - в качестве инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2