устройство и способ питания постоянного напряжения для системы создания тяги

Формула изобретения

1. Устройство питания постоянного напряжения U1DC для системы создания тяги с применением преобразователей 1, 2, использующих различные переменные или постоянные напряжения UAC, UDC в питающей линии (9), указанные преобразователи переменного тока в постоянный ток (1, 2) соединены со стороны переменного тока, соответственно, с первой (3) и второй (4) вторичными обмотками силового трансформатора (5), имеющего первичную обмотку (6), указанные преобразователи переменного тока в постоянный ток (1, 2) обеспечивают на выходе со стороны постоянного тока указанное постоянное питающее напряжение U1DC для подачи на вывод подачи питания (7) системы создания тяги, при этом на указанное питающее устройство системы создания тяги подается питающее напряжение посредством первой цепи подачи питания (8А) и второй цепи подачи питания (8В), соединенных одним своим концом с питающей линией (9), первая цепь подачи питания (8А) выполнена с возможностью соединения другим своим концом с первичной обмоткой (6) силового трансформатора (5) посредством первого коммутатора (11А), а вторая цепь подачи питания (8В) выполнена с возможностью соединения другим своим концом с выводом подачи питания на систему создания тяги, отличающееся тем, что преобразователи переменного тока в постоянный ток (1, 2) включены последовательно так, что у них имеется средняя точка (10), при этом вторая цепь подачи питания (8В) имеет возможность соединения другим своим концом со средней точкой (10) последовательно включенных преобразователей (1, 2) через второй коммутатор (11В) с возможностью снабжения энергией устройства питания, а один из преобразователей (1, 2), соединенных последовательно, выполнен в этом случае функционирующим в качестве инвертора с подачей питания на силовой трансформатор 5 через вторичную обмотку (4), связанную с преобразователем, тогда как другой из преобразователей (1, 2) выполнен функционирующим как выпрямитель с использованием энергии, вырабатываемой первым преобразователем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что питание постоянным напряжением U1DC системы создания тяги осуществляется от постоянного напряжения U2DC, составляющего порядка половины питающего напряжения системы создания тяги.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что питание постоянным напряжением U1DC системы создания тяги осуществляется от любого переменного питающего напряжения UAC.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что питание постоянным напряжением U1DC системы создания тяги осуществляется от постоянного напряжения U1DC, равного по величине питающему напряжению системы создания тяги.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что на систему создания тяги питающее напряжение подается через фильтрующее устройство (12).

6. Устройство по пп.3 и 5, отличающееся тем, что фильтрующее устройство (12) содержит конденсаторы, полностью или частично используемые в преобразователях (1, 2).

7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что силовой трансформатор (5) имеет вспомогательную обмотку (13).

8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что преобразователи (1, 2) выполнены в виде однофазных преобразователей мостового типа с принудительной коммутацией.

9. Способ питания постоянным напряжением U1DC системы создания тяги с применением преобразователей (1, 2), использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения UAC, UDC на линии подачи питания (9), причем указанные преобразователи переменного тока в постоянный ток (1, 2) соединены со стороны переменного тока соответственно с первой (3) и второй (4) вторичными обмотками силового трансформатора (5), имеющего первичную обмотку (6), а со стороны постоянного тока упомянутые преобразователи (1, 2) выдают на вывод подачи питания (7) системы создания тяги постоянное питающее напряжение U1DC, причем на упомянутое устройство питания системы создания тяги питающее напряжение подается через первую цепь подачи питания (8А) и через вторую цепь подачи питания (8В), соединенные одним своим концом с упомянутой линией подачи питания (9), причем упомянутый способ, включающий соединение первой цепи подачи питания (8А) с первичной обмоткой (6) силового трансформатора (5) посредством первого коммутатора (11А), когда питающее напряжение в линии подачи питания (9) является переменным напряжением UAC, или соединение второй цепи подачи питания (8В) посредством второго коммутатора (11В) с выводом подачи питания (7) системы создания тяги, когда напряжение в линии подачи питания (9) является постоянным напряжением U1DC, равным по величине питающему напряжению системы создания тяги, отличающийся тем, что преобразователи переменного тока в постоянный ток (1, 2) включают последовательно так, что у них имеется средняя точка (10), при этом соединяют вторую цепь подачи питания (8В) через второй коммутатор (11В) со средней точкой (10) последовательно включенных преобразователей (1, 2), когда напряжение в линии подачи питания представляет собой постоянное напряжение U2DC, составляющее порядка половины величины питающего напряжения системы создания тяги С с возможностью подавать энергию на устройство питания, а один из преобразователей (1, 2), соединенных последовательно, работает в этом случае как инвертор с подачей питания на силовой трансформатор 5 через вторичную обмотку (4), связанную с преобразователем, тогда как другой из преобразователей (1, 2) работает как выпрямитель и использует энергию, вырабатываемую первым преобразователем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам создания тяги, в частности для железнодорожных перевозок, и более конкретно относится к устройству и способу питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения.

Известна система электрического питания высокой надежности от различных источников напряжения для железнодорожных локомотивов (см. патент FR 2 713 565 того же заявителя).

В указанном патенте отмечается, что системы создания тяги, например, оснащенные асинхронным двигателем, требуют источник питания постоянного напряжения. Известно, что железнодорожные транспортные средства все чаще используются в сетях питания, где напряжение меняется в зависимости от используемой зоны.

Используются, например, следующие питающие напряжения:

25 кВ, 50 Гц;

15 кВ, 16 2/3 Гц;

3 кВ или 1,5 кВ постоянного напряжения.

В известных устройствах питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, использовались специальные преобразователи для каждого питающего напряжения.

Другими словами, известные устройства питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, применяли, например:

мостик Граеца (Graetz) или однофазный мостик с принудительной коммутацией для переменных напряжений,

понижающее устройство, например ограничитель, используемое в том случае, если постоянное питающее напряжение выше напряжения, применяемого в системе создания тяги,

повышающее устройство, используемое в том случае, если постоянное питающее напряжение ниже напряжения, применяемого в системе создания тяги.

Одной из задач настоящего изобретения является создание устройства и способа питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, позволяющего обеспечить применение одних и тех же преобразователей.

Согласно настоящему изобретению ниже описываются устройство и способ питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения. Одним из преимуществ устройства и способа питания постоянного напряжения для системы создания тяги посредством применения преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с настоящим изобретением является сокращение используемого оборудования в системе создания тяги, достигаемое за счет того, что преобразователи многократно используются в зависимости от наличия различных питающих напряжений.

Из указанного выше следует, что ни один из преобразователей не остается неиспользованным, как это было в известных устройствах.

Другим преимуществом устройства и способа питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с настоящим изобретением является уменьшение количества коммутаторов, что более конкретно проявляется при использовании питающего напряжения в 1500 В.

Другим преимуществом устройства и способа питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с настоящим изобретением является уменьшение индукции.

Еще одним преимуществом устройства и способа питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с настоящим изобретением является то, что выход для питания системы создания тяги всегда находится на одном и том же разъеме.

Другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в нижеследующем описании предпочтительного варианта осуществления устройства и способа питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, иллюстрируемого чертежами, на которых показано следующее:

фиг. 1 - схематичное представление устройства питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с настоящим изобретением,

фиг. 2 - схематичное представление устройства питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с фиг. 1 для случая, когда имеющееся в наличии питающее напряжение является переменным напряжением UAC,

фиг. 3 - схематичное представление устройства питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с фиг. 1 для случая, когда имеющееся в наличии питающее напряжение является постоянным напряжением U1DC, равным напряжению питания системы создания тяги,

фиг. 4 - схематичное представление устройства питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с фиг. 1 для случая, когда имеющееся в наличии питающее напряжение является постоянным напряжением U2DC, равным половине напряжения, необходимого для питания системы создания тяги.

фиг. 5 - 7 схематичное представление других вариантов реализации питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 1 представлена схема устройства питания постоянного напряжения U1DC для системы создания тяги C с применением преобразователей 1,2, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения UAC, UDC, согласно настоящему изобретению.

Различные постоянные или переменные напряжения UAC, UDC имеются на линии подачи питания 9.

Преобразователи переменного тока в постоянный ток 1,2 последовательно включены таким образом, что у них имеется средняя точка 10. Преобразователи переменного тока в постоянный ток 1,2 соединены со стороны подачи переменного напряжения соответственно к первой 3 и ко второй 4 вторичным обмоткам силового трансформатора 5, имеющего первичную обмотку 6.

Преобразователи переменного тока в постоянный ток 1,2 вырабатывают на стороне постоянного тока DC постоянное питающее напряжение U1DC на выводе подачи питания 7 для системы создания тяги C.

Как известно, система создания тяги включает по меньшей мере один тяговый двигатель (не показан) и преобразователи (не показаны), позволяющие преобразовать соответствующим образом постоянное напряжение U1DC для подачи питания на создающие тягу двигатели.

На устройство питания системы создания тяги C подается напряжение от первой цепи подачи питания 8A и от второй цепи подачи питания 8B, соединенных одним своим концом с питающей линией 9.

В соответствии с одной из существенных характеристик настоящего изобретения питающее устройство системы создания тяги С является таковым, что первая цепь подачи питания 8A может быть соединена другим своим концом с первичной обмоткой 6 силового трансформатора 5 через первый коммутатор 11A, и вторая цепь подачи питания 8B может быть соединена другим своим концом либо с выводом подачи питания 7 на систему создания тяги C, либо со средней точкой 10 последовательно включенных преобразователей 1, 2 через второй коммутатор 11B.

Преобразователи 1,2 могут быть выполнены, например, в виде однофазных преобразователей мостового типа с принудительной коммутацией. Силовой трансформатор 5 и преобразователи 1,2, следовательно, могут обеспечить питание постоянным напряжением DC системы создания тяги при наличии следующих исходных питающих напряжений:

- любое переменное напряжение UAC;

- постоянное напряжение U1DC, равное питающему напряжению системы создания тяги;

- постоянное напряжение U2DC, величина которого составляет порядка половины величины напряжения, необходимого для системы создания тяги.

Как будет подробно описано далее, в зависимости от режима работы системы создания тяги - тяга или торможение - преобразователи 1,2 могут выполнять функции инверторов (преобразователей постоянного тока в переменный) и функции выпрямителей.

Распределение данных функций осуществляется с помощью первого (11A) и второго (11B) коммутаторов.

На фиг. 2 представлена схема устройства питания по фиг. 1 для случая, когда имеющееся в наличии питающее напряжение является переменным напряжением UAC.

Питающее напряжение подается на устройство питания для системы создания тяги через первую питающую цепь 8A, соединенную одним своим концом с питающей линией 9 и другим - с первичной обмоткой 6 силового трансформатора 5.

Два последовательных преобразователя 1,2 обеспечивают питающее напряжение U1DC для системы создания тяги C.

Каждый из преобразователей 1,2 имеет на своих выходных выводах напряжение порядка U1DC/2. Имеющееся в наличии питающее напряжение UAC, например, составляет 25 кВ, 50 Гц или 15 кВ, 16 2/3 Гц.

На фиг. 3 представлена схема устройства питания по фиг. 1 для случая, когда имеющееся в наличии питающее напряжение является постоянным напряжением U1DC, равным напряжению питания системы создания тяги.

Питающее напряжение подается на устройство питания для системы создания тяги C через вторую питающую цепь 8В, соединенную одним своим концом с питающей линией 9 и другим с выводом подачи питания на систему создания тяги 7.

Предпочтителен случай, когда на систему создания тяги C подается питающее напряжение через фильтрующее устройство 12, например, индуктивно-емкостного типа.

В данном случае силовой трансформатор и преобразователи 1,2 не играют никакой роли.

Одним из преимуществ устройства питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, согласно настоящему изобретению является то, что на основе конденсаторов 14 и преобразователей может быть построена цепочка, частично или полностью выполняющая возложенные на фильтрующее устройство 12 функции.

Постоянное напряжение U1DC, например, составляет 3000 В.

На фиг. 4 показана схема устройства питания по фиг. 1 для случая, когда имеющееся в наличии питающее напряжение представляет собой питающее напряжение U2DC, составляющее порядка половины напряжения питания системы создания тяги.

Питающее напряжение подается на устройство питания для системы создания тяги C через вторую питающую цепь 8B, соединенную одним своим концом с питающей линией 9 и другим - со средней точкой 10 последовательных преобразователей 1,2.

Следовательно, питающее напряжение подается на устройство питания в средней точке 10 последовательных преобразователей 1,2.

При данной конфигурации один из преобразователей 2 работает в режиме инвертора и его выходное напряжение поступает на силовой трансформатор 5 через соединенную с данным преобразователем 2 вторичную обмотку 4.

Второй преобразователь 1 работает в режиме выпрямителя и использует вырабатываемое преобразователем 2 напряжение для формирования на своем выходе следующего напряжения U: U = U1DC - U2DC.

Преобразователи 1,2 выполняют возложенные на них функции инвертора и выпрямителя в зависимости от работы системы создания тяги в режиме торможения или создания тяги.

Величина постоянного напряжения составляет, например, 1500 В.

На фиг. 5 - 7 представлены другие схемы устройства питания постоянного напряжения для системы создания тяги с применением преобразователей, использующих в свою очередь различные переменные или постоянные напряжения, в соответствии с настоящим изобретением.

В указанных способах реализации силовой трансформатор имеет дополнительную обмотку 13.

Данная дополнительная обмотка 13 силового трансформатора 5 используется для подачи питающего напряжения для другой цепи, например для вспомогательной цепи системы создания тяги.

На фиг. 5 представлена схема устройства питания в соответствии с настоящим изобретением для случая, когда имеющееся в наличии питающее напряжение является переменным напряжением UAC.

Данная схема устройства питания соответствует классической схеме трансформатора с несколькими вторичными обмотками.

На фиг. 6 представлена схема устройства питания в соответствии с настоящим изобретением для случая, когда имеющееся в наличии питающее напряжение является постоянным напряжением U1DC, равным напряжению питания системы создания тяги.

В соответствии с этим вариантом осуществления преобразователи 1,2 работают в режиме инвертора или выпрямителя и передают энергию на дополнительную обмотку 13 силового трансформатора 5, используя свойство магнитной индукции.

На фиг. 7 представлена схема устройства питания в соответствии с настоящим изобретением для случая, когда имеющееся в наличии питающее напряжение является постоянным напряжением U2DC, составляющее порядка половины питающего напряжения системы создания тяги.

В соответствии с этим вариантом осуществления один из преобразователей работает в режиме инвертора, при этом часть его выходной энергии может подаваться на дополнительную обмотку 13 силового трансформатора 5.

В результате может быть получено устройство питания постоянного напряжения U1DC для системы создания тяги C с применением преобразователей 1,2, использующих в свою очередь различные перемененные или постоянные напряжения UAC, UDC, имеющиеся в наличии на питающей линии 9.

Преобразователи постоянного тока в переменный ток 1,2 включены последовательно таким образом, что у них имеется средняя точка 10.

Преобразователи постоянного тока в переменный ток 1,2 соединены со стороны переменного тока AC соответственно с первой 3 и со второй 4 вторичными обмотками силового трансформатора 5, имеющего первичную обмотку 6.

Преобразователи постоянного тока в переменный ток 1,2 формируют на стороне постоянного тока DC постоянное питающее напряжение U1DC на выводе подачи питания 7 для системы создания тяги C.

Подача напряжения на указанное устройство питания для системы создания тяги C осуществляется путем подключения первой цепи подачи питания 8A и второй цепи подачи питания 8В, соединенных одним своим концом с питающей линией 9.

Способ электрического питания системы создания тяги C предусматривает соединение первой цепи питания 8A вторым ее концом к первой обмотке 6 силового трансформатора 5 через первый коммутатор 11A в случае, когда имеющееся в наличии на питающей линии 9 является переменным напряжением UAC, или соединение второй цепи питания вторым концом через коммутатор 11B либо с выводом подачи питания 7 системы создания тяги в случае, когда имеющееся в наличии напряжение на питающей линии 9 является постоянным напряжением U1DC, равным напряжению питания системы создания тяги C, либо со средней точкой 10 последовательно включенных преобразователей 1,2 в случае, когда имеющееся в наличии напряжение на питающей лини 9 представляет собой постоянное напряжение U2DC, составляющее порядка половины напряжения питания системы создания тяги C.