Патент на изобретение №2183166
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ТЯГОВАЯ ЦЕПЬ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ, СОДЕРЖАЩАЯ ШИНЫ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА
(57) Реферат: Изобретение относится к тяговой цепи под напряжением, содержащей шины питания электровоза. Каждая из шин питания содержит фильтр 2F, при этом средние точки фильтров 2F совокупности шин питания соединены между собой. Технический результат изобретения заключается в том, что в тяговой цепи снижается разброс напряжений на каждом инверторе и улучшаются тяговые характеристики электровоза. 1 з.п. ф-лы, 21 ил., 3 табл. Настоящее изобретение относится в основном к электрическим тяговым цепям и более конкретно к тяговой цепи под напряжением, содержащей шины питания электровоза. В области электрических тяговых цепей технология GTO (GATE TURN OFF – вентиль выключения (ВВ)) обеспечивает включение электрических силовых схем электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде целиковых (общих) шин. Технология IGBT (INSULATE GATE BIPOLAR TRANSISTOR – изолированный вентиль биполярного транзистора (ИВБТ)) может обеспечивать включение электрических силовых схем тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде составных шин. Электрические силовые схемы электрической тяговой цепи предшествующего уровня техники, содержащей шины, выполненные в виде целиковых шин, имеют следующие преимущества. Узел тяговой мощности разделен между однофазными мостами с принудительным переключением (ОМПП) (Ponts Monophases a commutation forcee (PMCF)) на той же самой шине. Следовательно, на уровне однофазных мостов с принудительным переключением нет тока перегрузки в случае разброса тяговых мощностей каждого инвертора. В случае составной шины, состоящей из N однофазных мостов с принудительным переключением, соединение N однофазных мостов с принудительным переключением позволяет уменьшить все линии от семейства 1 до семейства N-1. В результате этого рабочая характеристика, с точки зрения отсутствия колебаний на контактной сети, будет настолько выше, насколько лучше будет обеспечена величина первичного тока I. В случае изолированного однофазного моста с принудительным переключением всегда обеспечивают общую силу тяги при трогании с места, соблюдая качество соединения оставшихся однофазных мостов с принудительным переключением. На целиковую шину можно легко установить дополнительное оборудование. Известные электрические силовые схемы электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде целиковых шин, имеют следующие недостатки. Короткое замыкание целиковой шины вызывает перегрузочный момент на всех тяговых двигателях. Вследствие того что для переключения изолированного вентиля биполярного транзистора требуется слабая индуктивность цепи, то короткое замыкание на комплексе конденсаторов целиковой шины может вызвать исключительно высокий ток перегрузки. Известные электрические силовые схемы электрической тяговой цепи, которые содержат шины, выполненные в виде составных или секционных шин, разделенных осью, имеют следующие преимущества. В случае короткого замыкания шины ток перегрузки уменьшается, а перегрузочный момент ограничен только на одном инверторе и, следовательно, нет влияния на другие шины. Такие известные электрические силовые схемы электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде составных шин, разделенных осью, имеют следующие недостатки. Ввиду того что каждая шина работает независимо, то из-за разброса измерений напряжения постоянного тока на каждом инверторе качество соединения N однофазных мостов с принудительным переключением на N составных шин не может обеспечить стабильность, и поэтому гармоники и величина первичного тока I ухудшаются. Ввиду той же причины взаимного соединения размеры однофазных мостов с принудительным переключением должны быть немного увеличены. Трудно установить оборудование на составные или секционные шины. В таблице 1 приведены рабочие характеристики различных электрических силовых схем электрической тяговой цепи предшествующего уровня техники. В основу настоящего изобретения поставлена задача создания электрической тяговой цепи, содержащей шины питания электровоза, которая обладала бы преимуществом тяговой цепи, содержащей шины питания, выполненные в виде целиковой шины, также преимуществами тяговой цепи, содержащей шины питания, выполненные в виде составных шин. Другой задачей является создание электрической тяговой цепи, содержащей шины питания электровоза, не имеющие недостатков электрической тяговой цепи. Другой задачей изобретения является создание электрической тяговой цепи, содержащей шины питания электровоза, совокупность технических характеристик которого была бы улучшена. Согласно изобретению тяговая цепь под напряжением, содержащая шины питания электровоза, охарактеризована ниже. Преимуществами тяговой цепи под напряжением, содержащей шины питания электровоза, согласно изобретению являются улучшенные характеристики как мощности, так и гармоник. Другие характеристики и преимущества изобретения будут понятны из описания предпочтительного варианта выполнения тяговой цепи под напряжением, содержащей шины питания электровоза, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1 изображает электрическую схему электрической тяговой цепи, содержащей известные составные шины; фиг.1А-1D изображают соответственно уровни гармоник и форму четырех вторичных токов электрической схемы на фиг.1; фиг.2 – известная электрическая схема электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде целиковых шин на тележке; фиг. 2А-2D – уровни гармоник и форма четырех вторичных токов электрической схемы на фиг.2; фиг.3 – известная электрическая схема электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде целиковых шин; фиг. 3А и 3В – уровни гармоник и форма четырех вторичных токов электрической схемы на фиг.3; фиг. 4 – электрическая схема первого предпочтительного варианта выполнения электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению; фиг.4А и 4В – уровни гармоник четырех вторичных токов электрической цепи на фиг.4; фиг. 5 – электрическая схема, согласно другому варианту выполнения электрической тяговой цепи, содержащей две шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению; фиг. 5А и 5С – схемы, аналогичные электрической схеме на фиг.5 для постоянного тока, токов 2F и короткого замыкания верхней шины, согласно изобретению; фиг. 6 – электрическая схема другого варианта выполнения электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению; фиг. 7 – электрическая схема другого варианта выполнения электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению; На фиг. 1 показана электрическая схема электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде составных шин, согласно предшествующему уровню техники. Эта фиг.1 показывает схему электрической цепи, содержащей четыре шины, и каждая шина содержит один мост с принудительным переключением и один фильтр 2F. Фиг.1А-1D изображают соответственно уровни гармоник и форму четырех вторичных токов, полученных электрической схемой на фиг.1 при нормальной работе с остановленным однофазным мостом с принудительным переключением. На фиг. 2 показана электрическая схема электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде целиковых шин на тележке, согласно предшествующему уровню техники. Эта фиг.2 показывает тяговую схему с четырьмя шинами, причем каждая шина содержит один однофазный мост с принудительным переключением и один фильтр 2F, при этом шины выполнены попарно таким образом, чтобы каждая пара шин была бы соединена с двумя однофазными мостами с принудительным переключением. Фиг. 2А-2D изображают соответственно уровни гармоник и формы четырех вторичных токов, полученных электрической схемой на фиг.2 при нормальной работе с остановленным двигателем. На фиг.3 показана электрическая схема электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде целиковых шин, согласно предшествующему уровню техники. На этой фиг. 3 показана тяговая цепь с четырьмя шинами, причем каждая шина содержит один однофазовый мост с принудительным переключением, при этом только одна из шин содержит фильтр 2F, а шины сконструированы таким образом, чтобы совокупность шин была соединена с четырьмя однофазовыми мостами с принудительным переключением. На фиг.3А и 3В показаны уровни гармоник и форма четырех вторичных токов, полученных электрической схемой на фиг.3. На фиг. 4 представлена электрическая схема первого предпочтительного варианта выполнения электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению. Тяговая цепь под напряжением содержит шины питания электровоза. Каждая шина питания содержит один фильтр 2F, средние точки которого соединены между собой, предпочтительно, с помощью выключающих элементов. Фиг. 4 изображает тяговую цепь с четырьмя шинами, причем каждая шина содержит один однофазовый мост с принудительным переключением и один фильтр 2F в этом случае, фильтры 2F выполнены таким образом, чтобы средние точки фильтров 2F шин питания были бы соединены между собой. Фиг. 4А и 4В изображают соответственно уровни гармоник и форму четырех вторичных токов, полученных с помощью электрической схемы на фиг.4. На фиг.5 показана электрическая схема первого предпочтительного варианта выполнения электрической тяговой цепи, содержащей две шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению. На фиг. 5А-5С представлены схемы, аналогичные электрической схеме, изображенной на фиг.5 для постоянных токов и короткого замыкания верхней шины. Фиг. 6 изображает электрическую схему другого предпочтительного варианта выполнения электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению. Согласно этому предпочтительному варианту электрической тяговой цепи шины питания соединены непосредственно с помощью индуктивных элементов. На фиг. 7 представлена электрическая схема другого предпочтительного варианта выполнения электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению. В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения электрической тяговой цепи каждая первая половина шин питания содержит фильтр 2F, а другая половина шин питания соединена попарно с первой половиной шин питания, и средние точки фильтров 2F первой половины шин питания соединены друг с другом. МОДЕЛИРОВАНИЕ Описанные ниже примеры моделирования осуществлялись для четырех типов электрических силовых схем одной электрической тяговой цепи предшествующего уровня техники, которая содержит шины, выполненные в виде следующих шин. Конструкция тяговых цепей Вариант 1 согласно предшествующему уровню техники Тяговая цепь с четырьмя шинами, причем каждая шина содержит один однофазный мост с принудительным переключением и один фильтр 2F (фиг.1). Вариант 2 согласно предшествующему уровню техники Тяговая цепь с четырьмя шинами, причем каждая шина содержит один однофазный мост с принудительным переключением и один фильтр 2F в этом случае, шины сконструированы попарно таким образом, чтобы каждая пара шин была соединена с двумя однофазными мостами с принудительным переключением (фиг.2). Вариант 3 согласно предшествующему уровню техники Тяговая цепь с четырьмя шинами, причем каждая шина содержит один однофазный мост с принудительным переключением, в этом случае только одна шина содержит фильтр 2F, а шины сконструированы таким образом, чтобы средние точки фильтров 2F совокупности шин питания были соединены с четырьмя однофазными мостами с принудительным переключением (фиг.3). Вариант 4 согласно изобретению Тяговая цепь с четырьмя шинами, в этом случае каждая шина содержит один однофазный мост с переменным переключением и один фильтр 2F, причем фильтры 2F сконструированы таким образом, чтобы средние точки фильтров 2F совокупности шин питания были соединены между собой (фиг.4). Результаты моделирования в случае наличия небольших разбросов характеристик шин В таблице 2 представлены результаты моделирования для ограниченных разбросов характеристик целиковых шин. Сравнение уровней гармоник для малых разбросов, вызванных ошибкой измерения постоянного напряжения Uc или управлением инверторов, показывает, что нарушение, которое составляет приблизительно 10% постоянного напряжения Uc и мощности на одной шине, вызывает появление: первой группы линий и увеличение на 58% величины первичного тока I в случае установки четырех составных шин, каждая из которых состоит из одного однофазного моста с принудительным переключением; второй группы линий и увеличение на 35% величины первичного тока I в случае установки двух составных шин, каждая из которых состоит из двух однофазных мостов с принудительным переключением. Кажется, что результаты могут быть приемлемыми для составных шин при условии, что воздушная контактная сеть с цепной подвеской будет в хорошем состоянии. Однако, если локомотив находится далеко от подстанции под контактной сетью, то гармоника и величина I тока могут значительно ухудшиться. Результаты моделирования в случае, когда шины сильно отличаются друг от друга В таблице 3 представлены результаты моделирования для случая большой разницы мощностей между инверторами. В случае, когда мощности составных шин сильно отличаются, невозможно обеспечить гармоники и величины I. Что же касается варианта 1, если инвертор на шине 1 отключен, то величина I может увеличиться в два раза по сравнению с нормальной величиной. Этот вариант такого положения может произойти случайно, когда мощность вспомогательного оборудования, соединенного с целиковыми тяговыми шинами, высокая. Вариант 4, выполненный согласно изобретению, который назван схемой, состоящей из составных и целиковых шин, обеспечивает технические характеристики, идентичные характеристикам схемы, состоящей из целиковых шин. Фиг. 5 изображает электрическую схему другого предпочтительного выполнения электрической тяговой цепи, содержащей две шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению. Фиг.5А и 5С изображают соответственно схемы, равноценные схеме, представленной на фиг.5, в случае постоянных токов, токов 2F и короткого замыкания верхней шины. Электрическая схема электрической тяговой цепи, включающей две шины, выполненные в виде полуцеликовых шин, согласно изобретению, содержит соединение между индивидуальными шинами с помощью дросселей. Согласно первому предпочтительному варианту выполнения электрической схемы электрической тяговой цепи, содержащей шины, выполненные в виде полуцельных шин, согласно изобретению, электрическая тяговая цепь содержит соединение между фильтрами 2F (фиг.4). Преимущество первого варианта выполнения электрической схемы заключается в том, что в нем сохраняются как преимущества составных шин, так и преимущества целиковых шин без добавления другого оборудования. В случае, когда выполненная согласно изобретению электрическая тяговая цепь работает в установившемся режиме, соединение фильтров 2F позволяет пропускать энергию между шинами и требует унификации постоянных напряжений Uс. Следовательно, токи однофазных мостов с принудительным переключением унифицированы, а преимущество электрической тяговой цепи с целиковыми шинами сохранено. В случае короткого замыкания целиковой шины передаваемая энергия других шин проходит через дроссели 2F. Таким образом, преимущество электрической тяговой цепи с составными шинами сохранено. Для того чтобы избежать воздействия токов перегрузки в случае короткого замыкания, применение схемы с целиковосоставной шиной снижает показатели гармоник и величины I вследствие разброса напряжений постоянного тока Uc и нагрузок. Однако вследствие возникновения гармоник с небольшими порядками ухудшение может привести к осложнениям в случае резонанса воздушной контактной сети. Является ли удачей заявителя также то, что он предложил силовую цепь, которая называется схемой с целиковыми шинами, основанной на схеме с составными шинами, причем особенностью этой схемы является то, что конденсаторы 2F объединены в совокупность на всех шинах. Результаты моделирования показали, что силовая схема с полуцеликовыми шинами, выполненная согласно изобретению, обеспечивает одинаковые гармоники и величину I такую же, как величины, полученные с помощью схемы с целиковыми шинами, выполненной согласно предшествующему уровню техники, а также сохраняет, что касается переходных состояний, преимущества силовой схемы с составными шинами из предшествующего уровня техники. Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
