Железнодорожное транспортное средство, оборудованное контакторами, способ управления и применение этих контакторов

Настоящее изобретение относится к области железнодорожного транспорта. Транспортное средство содержит многофазный двигатель, оборудованный ротором с постоянными магнитами, выполненный с возможностью приведения во вращение ведущих колес железнодорожного транспортного средства, многофазный инвертор, выполненный с возможностью подачи многофазного напряжения питания к двигателю. Устройство содержит по меньшей мере один управляемый контактор, оборудованный двумя электродами, установленными внутри герметичной лампы. Произведение давления на межэлектродное расстояние контакторов находится слева от минимума на кривой Пашена. Технический результат заключается в повышении надежности в работе. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Объектами настоящего изобретения являются железнодорожное транспортное средство, оборудованное контакторами, способ управления контакторами и применение этих контакторов.

Предусмотрено выполнение железнодорожных транспортных средств, содержащих:

- многофазный двигатель, оборудованный электрической соединительной клеммой для каждой фазы двигателя и ротором с постоянными магнитами, выполненным с возможностью приведения во вращение ведущих колес железнодорожного транспортного средства;

- многофазный инвертор, выполненный с возможностью подачи многофазного напряжения питания двигателя, при этом инвертор оборудован соединительной клеммой для каждой фазы;

- по меньшей мере, один управляемый контактор для каждой фазы двигателя, при этом контактор оборудован, по меньшей мере, двумя электродами, электрически соединенными соответственно с соответствующей клеммой инвертора и с соответствующей клеммой двигателя, при этом оба электрода выполнены с возможностью перемещения между не пропускным состоянием, в котором они электрически изолируют друг от друга клеммы инвертора и двигателя, с которыми они соединены, и пропускным состоянием, в котором они электрически соединяют эти две клеммы, при этом оба электрода разделены межэлектродным расстоянием D в не пропускном состоянии.

В дальнейшем описании двигатели, оборудованные ротором с постоянными магнитами, будут называться «двигателями с постоянными магнитами».

В отличие от двигателей, не содержащих постоянного магнита, каковым является большинство асинхронных двигателей, двигатель с постоянными магнитами может генерировать ток, даже если на обмотки статора перестает поступать питание от многофазного инвертора. Поэтому в случае неисправности инвертора необходимо изолировать электрически двигатель с постоянными магнитами от инвертора. Однако характеристики многофазного напряжения и многофазного тока, проходящего между инвертором и двигателем с постоянными магнитами, существенно отличаются от характеристик многофазного напряжения и многофазного тока, питающего другие двигатели и, в частности, двигатели, не содержащие постоянных магнитов.

Например, в результате некоторых неисправностей инвертора ток в каждой из фаз может одновременно иметь постоянную составляющую и не нулевую переменную составляющую. В частности, эта ситуация возникает в случае неисправности, известной под термином «асимметричное короткое замыкание». Короткое замыкание считается «асимметричным», так как амплитуда постоянной составляющей тока в неисправной фазе не является такой же, как амплитуда постоянной составляющей тока в других фазах. В частности, в случае асимметричного короткого замыкания амплитуда постоянной составляющей в неисправной фазе больше амплитуды переменной составляющей, поэтому ток в этой фазе не исчезает. Кроме того, как правило, амплитуда постоянной составляющей является очень большой, то есть превышает 250 А и обычно превышает или равна 700 А.

При асимметричном коротком замыкании частота переменной составляющей может быть очень высокой, то есть эта частота может вдвое превышать обычную частоту асинхронного двигателя эквивалентной мощности. Считается, что частота многофазного напряжения, характерная для асинхронного двигателя, не содержащего постоянного магнита, используемого для приведения в движение железнодорожного транспортного средства, никогда не превышает 200 Гц и, как правило, находится ниже 60 Гц. Во время асимметричного короткого замыкания частота переменной составляющей может превышать 400 Гц.

Настоящее изобретение относится к железнодорожному транспортному средству, в котором двигатель с постоянными магнитами может быть электрически изолирован от инвертора, в частности, в случае асимметричного короткого замыкания.

В этой связи объектом настоящего изобретения является железнодорожное транспортное средство, в котором:

- каждый контактор содержит лампу, внутри которой поддерживается давление Р в не пропускном состоянии, при этом электроды установлены внутри этой лампы;

- произведение давления Р на межэлектродное расстояние D находится слева от минимума на кривой Пашена.

Неожиданно было обнаружено, что ламповые контакторы, отвечающие вышеуказанному условию, позволяют изолировать электрически двигатель с постоянными магнитами от инвертора даже в случае асимметричного короткого замыкания. В частности, принято считать, что контактор, в котором произведение давления на межэлектродное расстояние находится слева от минимума на кривой Пашена, может отключать только переменный ток, который исчезает. Следовательно, такой контактор априори не годится для использования с двигателем с постоянными магнитами, поскольку при асимметричном коротком замыкании ток в неисправной фазе никогда не исчезает. Кроме того, этот ток в неисправной фазе имеет постоянную составляющую, значение которой, как правило, является очень большим. Однако, как было установлено, это априорное утверждение является ошибочным.

Одной из гипотез, выдвинутых для объяснения этого неожиданного явления, является следующая: ток, проходящий в других фазах, отличных от неисправной, периодически исчезает. Таким образом, один из контакторов одной из фаз, которая остается исправной, размыкается во время следующего перехода тока на ноль. После этого токи уравновешиваются между двумя остающимися фазами, то есть соответствующими все еще замкнутым контакторам. Эта ситуация приводит к исчезновению постоянной составляющей в токе неисправной фазы. При этом даже ток неисправной фазы периодически исчезает. Оба контактора размыкаются при последующем переходе на ноль их соответствующего тока фазы.

Кроме того, при всех прочих равных характеристиках, в частности способности отключения и/или скорости размыкания габариты таких ламповых переключателей значительно меньше (то есть, как правило, по меньшей мере, в два раза меньше), чем габариты контакторов, выполненных с использованием других технологий.

Такие контакторы выполнены также с возможностью отсечки асимметричных коротких замыканий.

Варианты выполнения этого железнодорожного транспортного средства могут содержать один или несколько следующих отличительных признаков.

Предпочтительным является то, что железнодорожное транспортное средство содержит блок управления, выполненный с возможностью управления размыканием контакторов при асимметричном коротком замыкании, при этом асимметричное короткое замыкание определяют как ситуацию, в которой ток в одной из фаз одновременно имеет постоянную составляющую и не нулевую периодическую основную составляющую, при этом амплитуда постоянной составляющей строго больше амплитуды периодической основной составляющей таким образом, что ток в этой фазе никогда не исчезает.

Железнодорожное транспортное средство содержит устройство обнаружения асимметричного короткого замыкания, при этом указанное устройство выполнено с возможностью автоматического срабатывания размыкания контакторов в момент обнаружения асимметричного короткого замыкания, а инвертор выполнен с возможностью подачи многофазного тока, основная частота которого меньше 6 Гц, при этом блок управления выполнен с возможностью подачи команды на размыкание контакторов, даже если основная частота предназначенного для отключения многофазного тока меньше 6 Гц.

Предпочтительным является, что инвертор выполнен также с возможностью изменения частоты выдаваемого многофазного напряжения от 0 и, по меньшей мере, до 400 Гц.

Транспортное средство для каждого контактора содержит входящий электрический проводник и выходящий электрический проводник, при этом входящий проводник электрически соединяет контактор с соответствующей клеммой инвертора, а выходящий проводник электрически соединяет контактор с соответствующей клеммой двигателя, и вокруг входящего и/или выходящего проводника(ов) установлен, по меньшей мере, один феррит.

Резистивная часть каждого феррита больше индуктивной части на частотах, генерируемых во время замыкания контактора.

Эти предпочтительные варианты выполнения железнодорожного транспортного средства обладают следующими преимуществами:

- в случае двигателя с постоянными магнитами частота менее 6 Гц соответствует очень низкому переменному напряжению, то есть меньшему или равному 15 В. Однако при таких низких напряжениях было обнаружено, что каждый из этих контакторов, используемый для изолирования двигателя от инвертора в случае асимметричного короткого замыкания, может также отключать не нулевой ток, что позволяет использовать этот контактор для отключения тока низкой частоты или нулевой частоты;

- эти контакторы характеризуются оптимальным сочетанием между, с одной стороны, габаритами и, с другой стороны, способностью отключения токов, частота которых может достигать 400 Гц;

- наличие ферритов на входящем и/или выходящем проводниках ограничивает большие градиенты напряжения последовательностей импульсов, появляющиеся в результате многократных предварительных возбуждений или предварительных зажиганий (под большими градиентами следует понимать градиенты, превышающие 10 кВ/мкс).

Объектом настоящего изобретения является также способ управления контакторами вышеуказанного железнодорожного транспортного средства, а также применение таких контакторов для электрического изолирования двигателя с постоянными магнитами железнодорожного транспортного средства от его инвертора.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

фиг.1 - схематичный вид железнодорожного транспортного средства, оборудованного двигателем с постоянными магнитами;

фиг.2 - схематичный вид вакуумного лампового контактора, используемого в транспортном средстве, показанном на фиг.1;

фиг.3 - блок-схема способа управления вакуумными ламповыми контакторами железнодорожного транспортного средства, показанного на фиг.1.

В дальнейшем подробное описание характерных признаков и функций, хорошо известных специалистам, опускается.

На фиг.2 показано железнодорожное транспортное средство 2, такое как поезд.

Это транспортное средство 2 электрически соединено с контактной линией 4 посредством токоприемника 6.

Например, транспортное средство 2 содержит последовательно соединенные выключатель 10, трансформатор 12 и выпрямитель 14 таким образом, чтобы выдавать на шину двойного управления 16 постоянное напряжение и постоянный ток, получаемые из напряжения, поступающего через токоприемник 6.

Между проводниками шины 16 электрически подсоединен инвертор/выпрямитель 20. Этот инвертор/выпрямитель 20 оборудован тремя электрическими соединительными клеммами 22-24. Инвертор/выпрямитель 20 выдает или принимает трехфазное напряжение через клеммы 22-24. В частности, инвертор/выпрямитель 20 работает в режиме инвертора, когда он выдает на клеммы 22-24 трехфазное напряжение, и работает в режиме выпрямителя, когда он получает на клеммы 22-24 трехфазное напряжение, предназначенное для выпрямления и для подачи на шину 16.

Инвертор/выпрямитель 20 выполнен с возможностью выдачи или выпрямления напряжения переменной частоты. В данном случае частота трехфазного напряжения, поступающего или выдаваемого на клеммы 22-24, колеблется от 0 до более 400 Гц. Например, частота трехфазного напряжения находится в пределах от 0 до 450 Гц.

Каждая клемма 22-24 соединена посредством входящих проводников 26-28 соответственно с входными клеммами 30-32 соответственно однофазных контакторов 34-36 соответственно.

Каждый из этих однофазных контакторов 34-36 содержит выходные клеммы 38-40 соответственно, электрически соединенные посредством выходных электрических проводников 42-43 соответственно с соответствующими соединительными клеммами 46-48 соответственно синхронного двигателя 50 с постоянными магнитами. Двигатель 50 содержит ротор, оборудованный постоянными магнитами. Этот ротор выполнен с возможностью приведения во вращение одного или нескольких ведущих колес транспортного средства 2 или с возможностью вращения этими ведущими колесами. Для простоты чертежа на фиг.1 показано только одно ведущее колесо 54.

Вокруг каждого из проводников 26-28 и 42-44 предусмотрены устройства фильтрации больших градиентов, возникающих по причине многократных предварительных возбуждений или предварительных зажиганий. Под большими градиентами следует понимать градиент, превышающий 10 кВ/мкс. Например, в данном случае соответственно вокруг проводников 26-28 и 42-44 установлены ферриты 60-62 и 64-66. Эти ферриты специально предназначены для устранения больших градиентов напряжения, возникающих во время замыкания и размыкания контакторов 34-36.

Например, эти ферриты выполнены согласно патентной заявке, поданной компанией «Альстом» 29 июня 1998 года под номером FR 9808207. В частности, резистивная часть каждого из этих ферритов является доминирующей на частотах, генерируемых во время замыкания контакторов 34-36.

Контакторы 34-36 будут описаны более подробно со ссылкой на фиг.2.

Транспортное средство 2 содержит также датчики 70-72 токов фазы в каждом из проводников 26-28. Эти датчики соединены с детектором 74, выполненным с возможностью обнаружения асимметричного короткого замыкания на основании значений тока, измеренного датчиками 70-72.

Этот детектор 74 соединен с блоком 76 управления размыканием контакторов 34-36.

Все контакторы 34-36 являются идентичными. На фиг.2 более детально показан контактор 34. Контактор 34 выполнен с возможностью перемещения между разомкнутым положением, в котором он электрически изолирует проводник 26 от проводника 42, и замкнутым положением, в котором он электрически соединяет проводник 26 с проводником 42.

Контактор 34 содержит лампу 80, образующую герметичную камеру, внутри которой поддерживается низкое давление. В данном случае под низким давлением следует понимать давление, значение которого ниже 10^-2 миллибар (1 Па) и которое может достигать 10^-7 миллибар (10^-5 Па).

Два электрода 82 и 84 установлены друг против друга внутри лампы 80. Эти электроды 82 и 84 выполнены с возможностью перемещения между пропускным состоянием и не пропускным состоянием, и наоборот. Для этого, по меньшей мере, один из этих двух электродов выполнен с возможностью перемещения между активным положением, в котором он находится в электрическом контакте с электродом 84, и удаленным положением, в котором он электрически изолирован от электрода 84. В его активном положении, которое соответствует пропускному состоянию, клеммы 30 и 38 электрически соединены друг с другом, тогда как в его удаленном положении, которое соответствует не пропускному состоянию, клеммы 30 и 38 электрически изолированы друг от друга. В его удаленном положении электроды 82 и 84 отделены друг от друга межэлектродным расстоянием D.

Давление Р и расстояние D выбирают таким образом, чтобы произведение давления Р на расстояние D находилось слева от минимума на кривой Пашена. В этой связи следует напомнить, что кривая Пашена представляет собой изменение значения напряжения пробоя (англ. Sparkling Voltage) в зависимости от произведения давления Р на межэлектродное расстояние при постоянной температуре. Эту кривую Пашена можно определять в различных газах, таких как воздух, азот и других.

В данном случае контактор 34 является вакуумным ламповым контактором. Эти контакторы известны под английским термином «Vacuum Switch».

В данном случае контактор 34 предназначен для отключения переменного тока, сила которого превышает 300 А и основная составляющая которого имеет частоту, превышающую или равную 450 Гц. Вакуумные ламповые контакторы с такими свойствами имеются в наличии в торговле.

На фиг.2 показано, что вокруг проводников 26 и 42 расположены ферриты 60 и 64, электрически изолированные при этом от этих проводников 26 и 42. Ферриты 60 и 64 располагают так же как можно ближе к проводникам 82 и 84.

Далее со ссылкой на фиг.3, иллюстрирующую способ, следует описание работы транспортного средства 2.

Во время фазы 90 нормальной работы на тяговом усилии инвертор/выпрямитель 20 на этапе 92 выдает трехфазное напряжение на клеммы 22-24. Частоту этого трехфазного напряжения определяет, например, автоматически механизм, отслеживающий момент двигателя 50.

В ответ на это трехфазное напряжение на этапе 94 двигатель создает тяговый момент, соответствующий заданной величине тягового усилия, и транспортное средство 2 приводится в движение этим тяговым усилием.

Фаза 90 чередуется с фазой 96 нормальной работы в режиме генератора.

Во время фазы 96 на этапе 98 ротор двигателя 50 приводится во вращение колесами транспортного средства 2. В данном случае на этапе 98 двигатель 50 генерирует трехфазное напряжение на проводниках 42-44.

На этапе 100 это трехфазное напряжение выпрямляется инвертором/выпрямителем 20 и передается в виде постоянного напряжения и тока на шину 16. Электрическая энергия генерируется двигателем 50, поступает в этом случае, например, на контактную линию 4 или используется внутри транспортного средства 2 для питания электрического оборудования. Эта энергия может также рассеиваться реостатом.

Параллельно с фазами 90 и 96 на этапе 102 детектор 74 постоянно производит контроль на наличие асимметричного короткого замыкания на основании значений тока, измеренных датчиками 70-72.

Если на этапе 102 обнаруживается асимметричное короткое замыкание, блок 76 немедленно выполняет этап 104 управления размыканием контакторов 34-36, чтобы электрически изолировать двигатель 50 от инвертора 20.

Возможны также многие другие варианты выполнения. Например, детектор 74 и блок 76 управления можно объединить в одном компоненте.

Все описанное выше применяется также для многофазных двигателей, имеющих более трех фаз, и в целом для любого многофазного двигателя, который может генерировать периодический ток, когда его ротор приводится во вращение, при этом нет необходимости в подаче питания, по меньшей мере, на одну обмотку этого двигателя.

Контакторы 34-36 описаны в данном случае для частного случая, когда перемещение из разомкнутого положения в замкнутое положение и, наоборот, реализуют путем изменения межэлектродного расстояния D. В предпочтительном варианте выполнения перемещение из разомкнутого положения в замкнутое положение можно получить путем изменения давления Р. В этом последнем варианте межэлектродное расстояние D может быть постоянным.

1. Железнодорожное транспортное средство, содержащее многофазный двигатель (50), оборудованный электрической соединительной клеммой (46-48) для каждой фазы двигателя и ротором с постоянными магнитами, выполненный с возможностью приведения во вращение ведущих колес железнодорожного транспортного средства;
многофазный инвертор (20), выполненный с возможностью подачи многофазного напряжения питания двигателя, при этом инвертор оборудован соединительной клеммой (22-24) для каждой фазы, и по меньшей мере, один управляемый контактор (34-36) для каждой фазы двигателя, при этом контактор оборудован, по меньшей мере, двумя электродами, электрически соединенными соответственно с соответствующей клеммой инвертора и с соответствующей клеммой двигателя, при этом оба электрода выполнены с возможностью перемещения между не пропускным состоянием, в котором они электрически изолируют друг от друга клеммы инвертора и двигателя, с которыми они соединены, и пропускным состоянием, в котором они электрически соединяют эти две клеммы, при этом оба электрода разделены межэлектродным расстоянием D в не пропускном состоянии, отличающееся тем, что каждый контактор содержит лампу, внутри которой поддерживается давление Р в не пропускном состоянии, при этом электроды установлены внутри этой лампы, и произведение давления Р на межэлектродное расстояние D находится слева от минимума на кривой Пашена.

2. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что содержит блок (76) управления, выполненный с возможностью управления размыканием контакторов (34-36) при асимметричном коротком замыкании, при этом асимметричное короткое замыкание определяется как ситуация, в которой ток в одной из фаз одновременно имеет постоянную составляющую и не нулевую периодическую основную составляющую, при этом амплитуда постоянной составляющей строго больше амплитуды периодической основной составляющей, причем ток в этой фазе никогда не исчезает.

3. Транспортное средство по п.2, отличающееся тем, что содержит устройство (74) обнаружения асимметричного короткого замыкания, при этом указанное устройство выполнено с возможностью автоматического размыкания контакторов (34-36) в момент обнаружения асимметричного короткого замыкания.

4. Транспортное средство по п.2 или 3, отличающееся тем, что инвертор (20) выполнен с возможностью подачи многофазного тока, основная частота которого меньше 6 герц, и в котором блок управления выполнен с возможностью подачи команды на размыкание контакторов, даже если основная частота отключаемого многофазного тока меньше 6 Гц.

5. Транспортное средство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что инвертор (20) выполнен с возможностью изменения частоты выдаваемого многофазного напряжения от 0 и, по меньшей мере, до 400 Гц.

6. Транспортное средство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что оно содержит для каждого контактора входящий электрический проводник (26-28) и выходящий электрический проводник (42-44), при этом входящий проводник электрически соединяет контактор с соответствующей клеммой инвертора, а выходящий проводник электрически соединяет контактор с соответствующей клеммой двигателя, причем вокруг входящего и/или выходящего проводника(ов) установлен, по меньшей мере, один феррит (60-62, 64-66).

7. Транспортное средство по п.6, отличающееся тем, что резистивная часть каждого феррита (60-62, 64-66) больше индуктивной части на частотах, генерируемых во время замыкания контактора.

8. Транспортное средство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что давление Р систематически меньше 1 Па во время работы контактора.

9. Транспортное средство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из электродов выполнен с возможностью перемещения во время работы контактора между положением, в котором он находится в электрическом контакте с другим электродом для обеспечения пропускного состояния, и удаленным положением, в котором он электрически изолирован от другого электрода для обеспечения не пропускного состояния.

10. Способ управления контакторами в транспортном средстве по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что при наличии асимметричного короткого замыкания подается команда (104) на размыкание контакторов.

11. Применение контакторов (34-36) для электрического изолирования многофазного двигателя (50) с постоянными магнитами, выполненного с возможностью приведения во вращение ведущих колес железнодорожного транспортного средства, оборудованного многофазным инвертором (20), выполненным с возможностью подачи на соединительные клеммы многофазного напряжения питания двигателя, отличающееся тем, что произведение давления Р на межэлектродное расстояние D контакторов находится слева от минимума на кривой Пашена.