Электрическое устройство энергоснабжения для приводных устройств для ксплуатации рельслвого транспортного средства в электрических распределительных сетях - RU2606162C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к электрическому устройству энергоснабжения для приводных устройств для эксплуатации рельсового транспортного средства на электрических распределительных сетях и соответствующему способу эксплуатации, а также способу изготовления подобного электрического устройства энергоснабжения.

Для энергоснабжения приводных устройств рельсовых транспортных средств в зависимости от страны или региона применяются электрические сети электроснабжения различного типа. Например, в Германии применяется электрическое энергоснабжение переменного напряжения с частотой 16,7 Гц и номинальным напряжением 15 кВ. Другая система эксплуатируется при переменном напряжении с частотой 50 Гц и номинальным напряжением 25 кВ. Также существуют системы на постоянном напряжении, прежде всего с номинальным напряжением 3 кВ и 1,5 кВ.

Для эксплуатации в распределительных сетях на переменном напряжении обычным является понижать сравнительно высокое переменное напряжение сначала с помощью входного трансформатора рельсового транспортного средства до более низкого значения переменного напряжения, затем выпрямлять пониженное переменное напряжение и подавать в так называемый промежуточный контур постоянного напряжения, к которому подключен тяговый инвертор для эксплуатации тягового электродвигателя или нескольких тяговых электродвигателей. Но недостатком этого решения является размер и вес входного трансформатора, прежде всего при частотах 16,7 Гц, но также и при частоте 50 Гц.

Если рельсовое транспортное средство эксплуатируется в распределительной сети постоянного напряжения, промежуточный контур постоянного напряжения подключается, например, посредством катушки индуктивности непосредственно к распределительной сети. Катушка индуктивности служит в качестве пассивного фильтра для предотвращения или же гашения помех, которые могут передаваться из распределительной сети на рельс. В качестве альтернативы пассивному фильтру предлагаются активные фильтры для работы в распределительных сетях постоянного напряжения, которые вырабатывают переменные напряжения и, тем самым, переменные токи, которые компенсируют паразитные токи, вырабатываемые при работе тягового инвертора.

Для того чтобы облегчить движение в разных сетях железнодорожного транспорта, частично те же самые рельсовые самодвижущие единицы подвижного состава (например, локомотивы или моторные вагоны) оборудованы для работы в различных сетях электроснабжения. При этом, прежде всего, также возможна работа в сетях электроснабжения постоянного напряжения при различном номинальном напряжении (например, при вышеупомянутых 3 кВ и 1,5 кВ). Обычно тяговый инвертор, который снабжает постоянным током один или несколько тяговых электродвигателей рельсового транспортного средства, а также один или несколько тяговых электродвигателей задуманы для заданного постоянного напряжения на входе тягового инвертора. Работу с сетями электроснабжения постоянного напряжения при различном номинальном или же рабочем напряжении можно осуществить, соединив подключение постоянного напряжения тягового инвертора через преобразователь постоянного тока с подключением со стороны сети рельсового транспортного средства. При необходимости преобразователь постоянного тока преобразует сетевое напряжение до заданного уровня напряжения на подключении постоянного напряжения тягового инвертора, например с 3 кВ до 1,5 кВ. В обратном случае, если заданное постоянное напряжение больше, чем сетевое напряжение, преобразователь постоянного тока может работать как вольтодобавочный трансформатор или, в качестве альтернативы, может осуществляться работа тягового инвертора при уменьшенном входном напряжении и, тем самым, уменьшенной максимальной мощности. Но при использовании преобразователя постоянного тока недостатком является дополнительный вес.

Задачей данного изобретения является создать электрическое устройство энергоснабжения для приводных устройств рельсового транспортного средства, которое обладало бы незначительным весом и могло эксплуатироваться как в сетях переменного напряжения, так и в сетях постоянного напряжения. При этом эксплуатация должна быть возможна по меньшей мере с одним номинальным постоянным напряжением с подключением к распределительной сети. Предпочтительно, эксплуатация должна быть возможна при разных номинальных постоянных напряжениях, то есть в разных сетях электроснабжения постоянного напряжения.

Следующей задачей данного изобретения является создание соответствующего способа для эксплуатации рельсового транспортного средства с таким устройство энергоснабжения. Кроме того, задачей данного изобретения является создание соответствующего способа изготовления такого устройство энергоснабжения.

Основная идея данного изобретения состоит в том, чтобы для эксплуатации в сетях переменного напряжения создать особый тип выпрямительных устройств. Эти выпрямительные устройства имеют несколько выпрямителей, которые подключаются к сети переменного напряжения без гальванической развязки (то есть, без промежуточного включения трансформатора). Вырабатываемое первыми выпрямителями постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение с более высокой частотой (прежде всего, в диапазоне средних частот от 8 до 20 кГц), переменное напряжение подается в каждом случае на первичную сторону одного или нескольких трансформаторов (прежде всего, с гальванической развязкой), и вторичное переменное напряжение, прилагаемое на вторичное стороне трансформатора или трансформаторов, снова выпрямляется с помощью одного или нескольких вторых выпрямителей и прилегает на промежуточный контур постоянного напряжения, от которого питается по меньшей мере один тяговый инвертор для одного или нескольких тяговых электродвигателей рельсового транспортного средства.

Принцип и варианты такого выпрямительного устройства для эксплуатации в сетях переменного напряжения описаны, например, в DE 19630284 А1. Один вариант состоит, прежде всего, в том, что в наличии имеются несколько модулей, которые в каждом случае имеют первый выпрямитель со стороны сети, по меньшей мере один инвертор, по меньшей мере один трансформатор, и по меньшей мере один второй выпрямитель. При этом первые выпрямители со стороны сети подключены последовательно, тогда как вторые выпрямители, подключенные через промежуточный контур постоянного напряжения по меньшей мере к одному тяговому инвертору, подключены параллельно. Благодаря этому первые выпрямители со стороны сети могут подключаться к высокому переменному напряжению сети электроснабжения и, тем не менее, подают желаемое более низкое постоянное напряжение для промежуточного контура постоянного напряжения.

Существенным преимуществом такого известного самого по себе устройства энергоснабжения является существенно меньший вес. Не требуется трансформатор для более низких частот, на которых эксплуатируются сети переменного напряжения. Напротив, трансформаторы устройства эксплуатируются при существенно более высоких частотах, которые предпочтительно находятся в диапазоне средних частот порядка 10 кГц (например, в диапазоне от 1 кГц до 100 кГц, прежде всего в диапазоне от 5 кГц до 40 кГц). Такие трансформаторы могут создаваться при существенно меньших объемах строительных работ и, таким образом, существенно меньших массах. Дополнительный вес для различных выпрямителей и инверторов является незначительным по сравнению с достигнутой экономией за счет веса.

Но подобные устройства энергоснабжения с конфигурацией средних частот известны только для работы в сетях переменного напряжения и на выбор в некоторых сетях сетей постоянного тока. Для работы в сетях постоянного тока с различными номинальными напряжениями мог бы дополнительно предусматриваться преобразователь постоянного тока, вследствие чего, однако, нежелательным образом увеличивается вес всего устройства.

Поэтому предлагают, по меньшей мере, части устройства энергоснабжения, которое разработано для работы в сетях переменного напряжения, использовать также в качестве преобразователя постоянного тока. Для этого подходят, прежде всего, по меньшей мере два трансформатора с преобразователями, подключенными к трансформаторам со стороны первичной и вторичной стороны. Если в качестве первичной стороны соответствующего трансформатора в целом обозначается сторона, которая при работе в сети переменного напряжения подключена к первому выпрямителю со стороны сети, то для работы в сети постоянного напряжения первичная сторона трансформатора соединена с первичной стороной другого трансформатора, и энергия из сети постоянного напряжения через вторичную сторону первого трансформатора, первичную сторону первого трансформатора, первичную сторону второго трансформатора и вторичную сторону второго трансформатора подается на сторону постоянного напряжения по меньшей мере одного тягового инвертора. Кроме того, часть энергии может подаваться непосредственно из сети постоянного напряжения на тяговый электродвигатель или тяговые электродвигатели, причем передаваться не через трансформаторы и выпрямители. При таком сокращенном изображении потока энергии не упоминается преобразователь, соединенный с трансформаторами. По меньшей мере, на вторичной стороне каждого из трансформаторов имеется по меньшей мере один преобразователь, который при работе в сети переменного напряжения работает как выпрямитель, а при работе в сети постоянного напряжения в зависимости от места в энергетической цепочке работает как инвертор или выпрямитель.

Прежде всего, первичные стороны обоих трансформаторов могут соединяться между собой не непосредственно, а в каждом случае по меньшей мере через один преобразователь, который при работе в сети переменного напряжения работает как инвертор. Например, в каждом случае по меньшей мере один преобразователь на первичной стороне и вторичной стороне обоих трансформаторов совместно с трансформатором и конденсаторами, совместно определяющими резонансную частоту, могут образовывать последовательный резонансный преобразователь. Такие последовательные резонансные преобразователи известны в электротехнике и могут эксплуатироваться простым образом так, что вентили (прежде всего полупроводниковые реле) преобразователей включаются и выключаются при постоянной частоте переключения. Если частота переключения настроена на резонансную частоту последовательного резонансного преобразователя (настройка не означает неизбежно, что частота переключения равна резонансной частоте), то через трансформатор происходит особо эффективная передача энергии. Однако также могут применяться и другие типы преобразователей постоянного тока, которые осуществляют гальваническую развязку между первичной стороной и вторичной стороной.

Изобретение не ограничено тем, чтобы в качестве преобразователей постоянного тока использовать только два трансформатора и соединенные с ними преобразователи. Напротив, в качестве преобразователя постоянного тока могут использоваться названным образом, например, парами два трансформатора и соответствующие преобразователи, так что используются, например, четыре, шесть или восемь трансформаторов двумя, тремя или четырьмя парами. Все эти трансформаторы и преобразователи эксплуатируются при работе в сети переменного напряжения вышеназванным способом, при котором сначала на стороне переменного напряжения устройства энергоснабжения происходит выпрямление электрического тока, то есть сетевое переменное напряжение преобразуется в постоянное напряжение.

Однако необязательно требуется соединять трансформаторы и соответствующие преобразователи соответственно попарно с преобразователем постоянного тока. Напротив, в зависимости от конструкции устройства энергоснабжения, от напряжения в сети электроснабжения и от желаемого постоянного напряжения на стороне постоянного напряжения тягового инвертора можно, например, также осуществлять соединение трансформатора, который своей вторичной стороной работает в сети постоянного напряжения, через его первичную сторону более чем с одним трансформатором, который своей вторичной стороной двухполюсно подключен к выводу постоянного напряжения тягового инвертора или же соответствующего промежуточного контура постоянного напряжения. Альтернативно или дополнительно, также и первичные стороны более чем одного трансформатора могут быть соединены между собой, причем вторичные стороны этих трансформаторов подключены к сети постоянного напряжения.

Как описывается еще более подробно, является возможным использовать выпрямители, стороны переменного напряжения которых при работе в сети переменного напряжения эксплуатируются без гальванической развязки, также для преобразователя постоянного тока. При соответствующей конструкции выпрямителей, например в качестве управляемого или регулируемого выпрямителя с полупроводниковыми реле и регулируемой последовательностью коммутационных операций реле, выходное постоянное напряжение, выработанное всем преобразователем постоянного тока, которое выдается на промежуточный контур постоянного напряжения тягового инвертора или инверторов, может варьироваться и, таким образом, устанавливаться на значения, которые соответствуют различным ситуациям при эксплуатации. Поэтому, например, преобразователь постоянного тока применяется в каждом случае при работе в различных сетях постоянного напряжения с разными номинальными напряжениями или же рабочими напряжениями. В зависимости от соответствующего постоянного напряжения сети постоянного напряжения, посредством управления или регулировки работы названного выпрямителя (так называемый первый выпрямитель в используемой далее терминологии) может всегда достигаться желаемое выходное напряжение преобразователя постоянного тока. Также, прежде всего, таким образом, возможно сглаживать колебания постоянного напряжения сети электроснабжения. Например, регулировка первого выпрямителя может осуществляться в зависимости от измеренной величины постоянного напряжения сети. Разумеется, также возможно при работе в другой сети постоянного напряжения соединять промежуточный контур постоянного напряжения тягового инвертора без промежуточного включения преобразователя постоянного тока с сетью постоянного напряжения.

Прежде всего, предлагается следующее: электрическое устройство энергоснабжения для приводных устройств для эксплуатации рельсового транспортного средства в электрических распределительных сетях, причем устройство энергоснабжения имеет:

- по меньшей мере одно сетевое подключение для подключения устройства к электрической распределительной сети,

- обращенное в сторону двигателя электрическое подключение для подключения устройства к промежуточному контуру постоянного напряжения, к которому, в свою очередь, является подключаемым по меньшей мере один тяговый инвертор для эксплуатации по меньшей мере одного тягового электродвигателя,

- выпрямительное устройство для эксплуатации рельсового транспортного средства в сети переменного напряжения, причем выпрямительное устройство соединено через фильтр с электрическим сетевым подключением или с одним из электрических сетевых подключений и имеет несколько модулей, в которых в каждом случае первый выпрямитель через инвертор, который подключен к первичной стороне трансформатора, и через трансформатор соединен со вторым выпрямителем, причем первый выпрямитель на его стороне переменного напряжения соединен через фильтр с электрическим сетевым подключением или с одним из электрических сетевых подключений, причем второй выпрямитель на его стороне постоянного напряжения соединен с обращенным в сторону двигателя электрическим подключением, причем подключения переменного напряжения первого выпрямителя подключены последовательно, но при эксплуатации рельсового транспортного средства в сети переменного напряжения подключения постоянного напряжения второго выпрямителя подключены параллельно,

- электрическое соединение для эксплуатации рельсового транспортного средства в сети постоянного напряжения, причем электрическое соединение имеет второй фильтр,

причем по меньшей мере в одном первом рабочем режиме постоянного напряжения - при эксплуатации рельсового транспортного средства в сети постоянного напряжения,

- электрическое соединение соединяет электрическое сетевое подключение или второе из электрических сетевых подключений со стороной постоянного напряжения второго выпрямителя первого из модулей,

- первичная сторона трансформатора первого модуля соединена с первичной стороной трансформатора второго модуля, а именно, непосредственно по меньшей мере через одно электрическое стыковочное соединение для стыковки первичных сторон трансформатора и/или опосредовано через выпрямители первого модуля и второго модуля,

- сторона постоянного напряжения второго выпрямителя второго модуля соединена с обращенным в сторону двигателя электрическим подключением для подключения устройства к промежуточному контуру постоянного напряжения,

- так что энергия для эксплуатации по меньшей мере одного тягового электродвигателя переносится в промежуточный контур постоянного напряжения из электрической распределительной сети через второй выпрямитель первого модуля, инвертор первого модуля, инвертор второго модуля и второй выпрямитель второго модуля.

Кроме того, предлагается способ эксплуатации рельсового транспортного средства посредством электрического устройства энергоснабжения в электрических распределительных сетях, причем:

- устройство энергоснабжения подключают к электрической распределительной сети по меньшей мере через одно электрическое сетевое подключение,

- устройство энергоснабжения через обращенное в сторону двигателя электрическое подключение подключено к промежуточному контуру постоянного напряжения, к которому, в свою очередь, подключен или подключается по меньшей мере один тяговый инвертор для эксплуатации по меньшей мере одного тягового электродвигателя,

- выпрямительное устройство устройства энергоснабжения через первый фильтр соединено с электрическим сетевым подключением или с одним из электрических сетевых подключений, причем выпрямительное устройство имеет несколько модулей, в которых в каждом случае первый выпрямитель через инвертор, который подключен к первичной стороне трансформатора, и трансформатор соединен со вторым выпрямителем, причем первый выпрямитель на его стороне переменного напряжения через первый фильтр соединяют с электрическим сетевым подключением или с одним из электрических сетевых подключений, причем второй выпрямитель на его стороне постоянного напряжения соединяют с обращенным в сторону двигателя электрическим подключением, причем подключения переменного напряжения первых выпрямителей подключают или подключены последовательно, но для эксплуатации рельсового транспортного средства в сети переменного напряжения подключения постоянного напряжения вторых выпрямителей подключают параллельно,

- по меньшей мере в одном первом режиме работы постоянного напряжения для эксплуатации рельсового транспортного средства в сети постоянного напряжения,

- электрическое сетевое подключение или второе из электрических сетевых подключений соединяют с электрической распределительной сетью,

- электрическое сетевое подключение или второе из электрических сетевых подключений соединяют со стороной постоянного напряжения второго выпрямителя первого из модулей,

- первичную сторону трансформатора первого модуля соединяют с первичной стороной трансформатора второго из модулей, а именно, непосредственно по меньшей мере через одно электрическое стыковое соединение для стыковки первичных сторон трансформаторов и/или опосредованно через инвертор первого модуля и второго модуля,

- сторону постоянного напряжения второго выпрямителя второго модуля соединяют с обращенным в сторону двигателя электрическим подключением для подключения устройства к промежуточному контуру постоянного напряжения,

так что при эксплуатации рельсового транспортного средства в сети постоянного напряжения по меньшей мере в одном первом рабочем режиме постоянного напряжения энергия для эксплуатации по меньшей мере одного тягового двигателя передается из распределительной сети через второй выпрямитель первого модуля, инвертор первого модуля, инвертор второго модуля и второй выпрямитель второго модуля в промежуточный контур постоянного напряжения.

Кроме того, предлагается способ изготовления электрического устройства энергоснабжения для приводных устройств для эксплуатации рельсового транспортного средства в электрических распределительных сетях, имеющий:

- обеспечение по меньшей мере одного электрического сетевого подключения для подключения устройства к электрической распределительной сети,

- обеспечение обращенного в сторону двигателя электрического подключения для подключения устройства к промежуточному контуру постоянного напряжения, к которому, в свою очередь, является подключаемым тяговый инвертор для эксплуатации по меньшей мере одного тягового электродвигателя,

- обеспечение выпрямительного устройства для эксплуатации рельсового транспортного средства в сети переменного напряжения и соединение выпрямительного устройства через первый фильтр с электрическим сетевым подключением или с одним из электрических сетевых подключений, причем выпрямительное устройство имеет несколько модулей, в которых в каждом случае первый выпрямитель через инвертор, подключенный на первичной стороне трансформатора, и через трансформатор соединен со вторым выпрямителем, причем первый выпрямитель на его стороне переменного напряжения через первый фильтр соединяют с электрическим сетевым подключением или с одним из электрических сетевых подключений, причем второй выпрямитель на его стороне постоянного напряжения соединяют с обращенным в сторону двигателя электрическим подключением, причем подключения переменного напряжения первых выпрямителей подключают последовательно, но предусматривают схему управления и управляемое схемой управления коммутирующее устройство, которые при эксплуатации рельсового транспортного средства в сети переменного напряжения параллельно включают подключения постоянного напряжения вторых выпрямителей,

- обеспечение электрического соединения для эксплуатации рельсового транспортного средства в сети постоянного напряжения, причем электрическое соединение имеет второй фильтр,

причем управление и коммутирующее устройство выполняют по меньшей мере в одном первом рабочем режиме постоянного напряжения при эксплуатации рельсового транспортного средства в сети постоянного напряжения,

- для соединения электрического сетевого подключения или второго из электрических сетевых подключений через электрическое соединение со стороной постоянного напряжения второго выпрямителя первого из модулей,

- для соединения первичной стороны трансформатора первого модуля с первичной стороной трансформатора второго из модулей, а именно, непосредственно по меньшей мере через одно электрическое стыковое соединение для стыковки первичных сторон трансформаторов и/или опосредованно через инвертор первого модуля и второго модуля,

- для соединения стороны постоянного напряжения второго выпрямителя второго модуля с обращенным в сторону двигателя электрическим подключением для подключения устройства к промежуточному контуру постоянного напряжения,

- так что энергия для эксплуатации по меньшей мере одного тягового электродвигателя передается из электрической распределительной сети через второй выпрямитель первого модуля, инвертор первого модуля, инвертор второго модуля и второй выпрямитель второго модуля в промежуточный контур постоянного напряжения.

Разновидности способа изготовления и технологического процесса следуют аналогично из описания разновидностей устройства энергоснабжения.

Прежде всего, для соединения первичных сторон трансформаторов первого и второго модуля сторона постоянного напряжения инвертора первого модуля соединяется/соединена со стороной постоянного напряжения инвертора второго модуля, а именно, непосредственно по меньшей мере через одно электрическое стыковое соединение для стыковки сторон постоянного напряжения инвертора и/или опосредованно через первый выпрямитель первого модуля и через первый выпрямитель второго модуля.

Устройство энергоснабжения может иметь единственное электрическое сетевое подключение, через которое осуществляется контакт с сетью как при работе в сети переменного напряжения, так и при работе в сети постоянного напряжения. Сетевым подключением может быть, например, подключение для контактирования токоприемника, с помощью которого снимается ток из распределительной сети (например, пантограф). Но сетевое подключение также может быть точкой контакта токоприемника с контактным проводом или контактным рельсом сети. Кроме того, возможно, что сетевое подключение соединяет устройство энергоснабжения с приемной схемой, которая посредством индуктивной передачи энергии получает энергию из распределительной сети.

Устройство энергоснабжения может дополнительно к такому сетевому подключению иметь по меньшей мере одно другое сетевое подключение, так что, по меньшей мере, для работы в сети переменного напряжения в распоряжении имеется первое сетевое подключение, а для работы по меньшей мере в одной сети постоянного напряжения в распоряжении имеется другое сетевое подключение. По меньшей мере для одного другого сетевого подключения применимо, прежде всего, то же самое, что ранее было описано для единственного сетевого подключения. Например, для работы в сети переменного напряжения может иметься первый токоприемник, и для работы в сети постоянного напряжения - второй токоприемник.

Обращенное в сторону двигателя электрическое подключение для подключения устройства к промежуточному контуру постоянного напряжения имеет, прежде всего, два полюса, которые во время работы находятся на разных электрических потенциалах, одном более высоком и одном более низком электрических потенциалах, в соответствие с напряжением в промежуточном контуре постоянного напряжения. Как еще будет описано более подробно, также и вторичная сторона трансформатора, которая соединена с сетью постоянного напряжения, может соединяться только с одним из двух полюсов подключения с вторичной стороны с сетью постоянного напряжения, а второй полюс подключения может соединяться с полюсом промежуточного контура постоянного напряжения. Если при этом, с другой стороны, вторичная сторона трансформатора, подключенного к промежуточному контуру постоянного напряжения, соединяется с обоими полюсами на нем, возникает устройство в виде делителя напряжения. Однако в этом случае, относительно потока энергии, однополюсное подключение вторичной стороны трансформатора, соединенного с сетью постоянного напряжения, может обозначаться не как обращенное в сторону двигателя электрическое подключение, так как энергия идет из сети постоянного напряжения через вторичную сторону, по меньшей мере, первого трансформатора, первичные стороны обоих трансформаторов или нескольких трансформаторов, и вторичную сторону по меньшей мере одного трансформатора в промежуточный контур постоянного напряжения.

Варианты образования преобразователя постоянного тока из компонентов устройства энергоснабжения, которые также применяются для работы в сети переменного напряжения, были описаны выше. Из этого относительно обращенного в сторону двигателя электрического подключения следует, что в зависимости от выполнения преобразователя постоянного тока к обращенному в сторону двигателя электрическому подключению могут быть подключены одна или несколько вторичных сторон. Прежде всего, вторичные стороны нескольких трансформаторов могут быть подключены параллельно друг другу к обращенному в сторону двигателя электрическому подключению. Благодаря этому в промежуточный контур постоянного напряжения через преобразователь постоянного тока могут течь более высокие потоки энергии. То же самое применимо для подключения вторичных сторон нескольких трансформаторов в сети постоянного напряжения.

Если речь идет о первичных и вторичных сторонах трансформаторов устройства энергоснабжения, при этом зачастую из соображений простоты не упоминаются дополнительно имеющиеся преобразователи на первичной и вторичной стороне трансформатора. Как описано выше, является возможным, что на первичной стороне и/или на вторичной стороне находится не один преобразователь, а несколько. Также преобразователь на первичной стороне или на вторичной стороне может служить для подключения нескольких трансформаторов. Например, два трансформатора через единственный общий выпрямитель могут быть соединены с сетью постоянного напряжения или с промежуточным контуром постоянного напряжения.

Согласно этому названные модули отличаются тем, что они на стороне переменного напряжения устройства энергоснабжения имеют точно один первый выпрямитель.

Как следует из вышеупомянутого описания, по меньшей мере, под первым рабочим режимом постоянного напряжения следует понимать рабочий режим во время работы в сети постоянного напряжения, причем оборудование устройства энергоснабжения, которое включает в себя два трансформатора и соответствующие преобразователи, используется в качестве преобразователя постоянного тока. При этом в качестве опции возможно использование первого выпрямителя на стороне переменного напряжения устройства энергоснабжения. При этом «в качестве опции» означает, что также существуют формы осуществления изобретения, у которых первые выпрямители используются не для преобразователя постоянного тока.

В зависимости от варианта выполнения может существовать только один первый рабочий режим постоянного напряжения, например для работы в сети постоянного напряжения с определенным заданным номинальным рабочим напряжением. Но также может существовать больше, чем один первый рабочий режим постоянного напряжения, например для работы в разных сетях постоянного напряжения с различным номинальным рабочим напряжением. Для разных первых рабочих режимов постоянного напряжения трансформаторы и преобразователи устройства энергоснабжения могут соединяться между собой одинаковым или различным образом. При одинаковом соединении для нескольких первых рабочих режимов постоянного напряжения может, например, осуществляться только один различный режим работы первых выпрямителей, участвующих в этом случае в преобразователе постоянного тока. Это было уже рассмотрено.

Наряду с одним или несколькими рабочими режимами постоянного напряжения, может существовать второй рабочий режим постоянного напряжения, в котором промежуточный контур постоянного напряжения тягового инвертора или инверторов непосредственно, то есть не только по меньшей мере через один из вторых выпрямителей, соединен с электрическим сетевым подключением или одним из электрических сетевых подключений.

За счет использования трансформаторов и преобразователей устройства энергоснабжения, которые применяются при работе в сети переменного напряжения и, прежде всего, приводит в действие трансформаторы, работающие в диапазоне средних частот порядка 10 кГц, в качестве преобразователя постоянного тока в сети постоянного напряжения экономится дополнительный преобразователь постоянного тока. По сравнению с решениями, которые имеют входной трансформатор со стороны переменного напряжения, через который устройство энергоснабжения при работе в сети переменного напряжения гальванически разъединяется от него, устройство согласно данному изобретению дополнительно имеет преимущество в том, что устройство энергоснабжения само по себе имеет незначительный вес, так как трансформаторы на высоких частотах могут эксплуатироваться в виде сетевой частоты сети электроснабжения.

Кроме того, устройство энергоснабжения согласно изобретению предлагает возможность создать преобразователь постоянного тока для работы в разных сетях постоянного напряжения и/или дополнительно сделать возможным работу промежуточного контура постоянного напряжения тягового инвертора или инверторов непосредственно в сети постоянного напряжения.

Прежде всего, для переключения между отдельными рабочими режимами (работа в сети переменного напряжения, по меньшей мере, первый режим работы постоянного напряжения при использовании устройства в качестве преобразователя постоянного тока и/или непосредственное подключение промежуточного контура постоянного напряжения к сети постоянного напряжения) применяется устройство переключателей (далее: коммутирующее устройство). Количество и подключение переключателей к устройству зависит от конкретной конфигурации и от возможных режимов работы. Прежде всего, посредством коммутирующего устройства на вторичной стороне трансформаторов может, по меньшей мере, частично происходить переключение между двухполюсным подключением к промежуточному контуру постоянного напряжения и подключением к сети постоянного напряжения. Кроме того, с помощью различных возможных видов коммутирующих устройств может осуществляться стыковка модулей электрического устройства энергоснабжения на первичных сторонах трансформаторов. Осуществление таких переключателей для стыковки первичных сторон будет подробно описано ниже.

Предпочтительно, для первого или первых выпрямителей со стороны сети используются полупроводниковые реле, прежде всего БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором - insulated-gate bipolar transistor). В случае с выпрямителем или выпрямителями речь может идти, прежде всего, о так называемых Н-мостах. Также вторые выпрямители со стороны промежуточного контура могут быть Н-мостами, но альтернативно также другими выпрямителями, например только с одним последовательным соединением переключателей (полумосты-выпрямители). В каждом случае является предпочтительным, что инвертор или инверторы и выпрямитель или выпрямители, которые гальванически отделены друг от друга трансформатором и подключены к трансформатору или трансформаторам, также являются преобразователями, которые приводятся в действие переключением полупроводниковых реле (прежде всего, БТИЗ).

В случае с первым и/или вторым фильтром речь идет, например, о пассивном (неуправляемом) фильтре, предпочтительно с фильтрующей индуктивностью. Под фильтрующей индуктивностью понимают индуктивность, которая предусмотрена для уменьшения или устранения сигналов помех. Обычно в качестве фильтрующей индуктивности используется соответствующая катушка или устройство катушек. При более общей формулировке фильтр может быть устройством пассивных (не управляемых) электрических компонентов, прежде всего по меньшей мере с одной фильтрующей индуктивностью и/или другими электрическими компонентами, такими как по меньшей мере одним конденсатором и по меньшей мере одним резистором.

Предпочтительно, модули реализуются одинаковым способом, то есть имеют одинаковые компоненты в одинаковом устройстве. Однако это не обязательно является необходимым. Прежде всего, чтобы сделать возможным работу в сетях переменного напряжения с разным номинальным напряжением, модули, при необходимости, могут отключаться или подключаться. При отключенных модулях первый выпрямитель со стороны сети более не находится в последовательном включении выпрямителей разных модулей. Также для работы преобразователя постоянного тока отдельные модули или их части могут подключаться или отключаться.

По меньшей мере один трансформатор, который имеется в каждом модуле, имеет функцию гальванической развязки, как это требуется при работе в сетях переменного напряжения. Наряду с названными компонентами, которые используются в модуле, модуль может содержать другие компоненты, прежде всего конденсаторы и/или катушки индуктивности. Прежде всего, между обоими потенциалами постоянного напряжения на стороне постоянного напряжения первого выпрямителя могут быть подключены один или несколько конденсаторов. Это сглаживает постоянное напряжение и, прежде всего, является предпочтительным при работе в качестве преобразователя постоянного тока. Кроме того, по меньшей мере в одной части соединительных линий между инвертором одного модуля и трансформатором, а также между вторым выпрямителем и трансформатором может быть в каждом случае предусмотрен конденсатор (например, один или несколько конденсаторов). Эти конденсаторы могут быть согласованы с другими электрическими свойствами части переменного напряжения модуля таким образом, что частота переменного напряжения на трансформаторе является резонансной частотой части переменного напряжения. Вследствие этого снижаются потери при передаче энергии через трансформатор. Также при резонансе могут особо эффективно эксплуатироваться инвертор и выпрямитель, то есть с незначительными потерями при переключении.

При работе в сетях переменного напряжения обычным является наличие включенного между линиями постоянного напряжения устройства энергоснабжения, так называемого поглощающего контура, с катушкой индуктивности и включенным последовательно конденсатором. Поглощающий контур может находиться в области промежуточного контура постоянного напряжения или в части постоянного напряжения одного или нескольких модулей выпрямительного устройства. В работе в сети постоянного напряжения катушка индуктивности может использоваться в качестве второго фильтра (или части второго фильтра) в электрическом соединении между промежуточным контуром постоянного напряжения. Также катушка индуктивности может использоваться, например, в качестве сглаживающего конденсатора или энергоаккумулятора. Для того чтобы иметь возможность использоваться компоненты для различных целей, могут быть предусмотрены соответствующие переключатели, которые переключаются при смене между работой в сети переменного напряжения и работой в сети постоянного напряжения или обратно.

В предпочтительном варианте осуществления устройства энергоснабжения при/для эксплуатации рельсового транспортного средства по меньшей мере в одном первом рабочем режиме постоянного напряжения сторона постоянного напряжения второго выпрямителя первого модуля, кроме электрического соединения, также соединена/соединяется с одним из двух потенциалов обращенного в сторону двигателя электрического подключения для подключения устройства к промежуточному контуру постоянного напряжения. Прежде всего, если сторона постоянного напряжения второго выпрямителя второго модуля соединена/соединяется двухполюсно с потенциалами обращенного в сторону двигателя электрического подключения и, таким образом, с промежуточным контуром постоянного напряжения, возникает схема по типу делителя напряжения. Если модули, например, одинаковым образом соединены между собой одним и тем же типом трансформаторов и преобразователей, а также, опционально, дополнительными компонентами, делитель напряжения осуществляет понижение на половину постоянного напряжения сети постоянного напряжения. При этом, прежде всего, предпочтительной является форма осуществления, в которой на стороне постоянного напряжения второго выпрямителя в каждом случае включен конденсатор между обоими полюсами.

Прежде всего, устройство энергоснабжения может иметь/содержать электрическое соединение проводов и электрическое коммутирующее устройство, причем:

- при/для эксплуатации рельсового транспортного средства по меньшей мере в одном первом рабочем режиме постоянного напряжения в первом положении переключения электрического коммутирующего устройства, промежуточный контур постоянного напряжения непосредственно, то есть только по меньшей мере через один из вторых выпрямителей, соединен/соединяется с обращенным в сторону двигателя электрическим подключением, так что энергия для эксплуатации по меньшей мере одного тягового электродвигателя передается из электрической распределительной сети через второй выпрямитель первого модуля, инвертор первого модуля, инвертор второго модуля и второй выпрямитель второго модуля в промежуточный контур постоянного напряжения,

- при/для эксплуатации рельсового транспортного средства во втором рабочем режиме постоянного напряжения во втором положении переключения электрического коммутирующего устройства, промежуточный контур постоянного напряжения через электрическое соединение проводов, то есть не непосредственно по меньшей мере через один из вторых выпрямителей соединен/соединяют с электрическим сетевым подключением или с одним из электрических сетевых подключений, так что энергия для эксплуатации по меньшей мере одного тягового электродвигателя передается из электрической распределительной сети непосредственно через соединение проводов в промежуточный контур постоянного напряжения.

В заданном первом рабочем режиме постоянного напряжения или же для заданного первого рабочего режима постоянного напряжения можно соединять одно из электрических стыковых соединений стороны постоянного напряжения инвертора первого модуля непосредственно через полупроводниковое реле первого выпрямителя первого модуля и полупроводниковое реле первого выпрямителя второго модуля со стороной постоянного напряжения инвертора второго модуля, причем полупроводниковое реле первого выпрямителя первого модуля и полупроводниковое реле первого выпрямителя второго модуля постоянно включены во время заданного первого рабочего режима постоянного напряжения. Схема управления первого выпрямителя выполнена соответственно для того, чтобы к началу заданного первого рабочего режима постоянного напряжения полупроводниковые реле первого выпрямителя включались и оставались включенными.

Прежде всего, если подаваемое на обращенное в сторону двигателя электрическое подключение напряжение должно быть изменяющимся или для работы в сетях постоянного напряжения с различными номинальными рабочими напряжениями должен применяться преобразователь постоянного тока, устройство энергоснабжения может иметь/содержать устройство управления для управления работой первого выпрямителя первого и второго модуля, в то время как рельсовое транспортное средство эксплуатируется по меньшей мере в одном первом рабочем режиме, причем устройство управления выполнено/выполняется так, чтобы посредством управления моментами переключения полупроводниковых реле по меньшей мере одного из первых выпрямителей на стороне постоянного напряжения инвертора второго модуля вырабатывать заданное постоянное напряжение, принимая во внимание постоянное напряжение электрической распределительной сети и желаемое постоянное напряжение в промежуточном контуре постоянного напряжения, так что в промежуточном контуре постоянного напряжение достигают желаемого постоянного напряжения.

Для достижения этой цели существуют разные способы эксплуатации полупроводниковых реле первого выпрямителя. Прежде всего, согласно первому способу возможно, что от первых выпрямителей первого и второго модуля в каждом случае только часть полупроводниковых реле включается и выключается повторно (прежде всего, по типу вольтодобавочного или понижающего трансформатора) для выработки желаемого постоянного напряжения. Другая часть полупроводниковых реле во время работы в качестве преобразователя постоянного тока остается постоянно отключенной. Например, в случае конструкции первых выпрямителей в виде выпрямителя с двумя параллельно включенными мостами, которые в каждом случае имеют два последовательно подключенных полупроводниковых реле, переключатели в каждом случае одного моста могут длительно оставаться отключенными, тогда как по меньшей мере один переключатель другого моста повторно включается и отключается. Но при другом способе все полупроводниковые реле или, по меньшей мере, полупроводниковые реле разных мостов первого выпрямителя включаются и выключаются повторно для достижения желаемого постоянного напряжения в промежуточном контуре постоянного напряжения во время работы преобразователя постоянного напряжения. Конкретные примеры осуществления будут подробно описаны далее.

Прежде всего, в случае, когда первые выпрямители двух модулей используются для работы в качестве преобразователя постоянного напряжения, первый модуль через катушку индуктивности соединяется со вторым модулем. Катушка индуктивности, как само по себе известно из работы вольтодобавочных и понижающих трансформаторов, применяется для временного накопления электрической энергии, которое делает возможным повышение или понижение напряжения. Другими словами, падающее на катушке индуктивности напряжение временно повышается или снижается вследствие соответствующих последовательностей коммутационных операций переключателя для выработки желаемого постоянного напряжения.

Теперь примеры осуществления изобретения описываются со ссылкой на прилагаемый чертеж. Отдельные фигуры чертежа показывают:

Фиг.1 - электрическая схема соединений устройства энергоснабжения для рельсового транспортного средства, причем устройство является подключаемым к распределительной сети и к промежуточному контуру постоянного напряжения с подключенным к нему тяговым выпрямителем тока,

Фиг.2 - устройство энергоснабжения согласно фиг.1 в рабочем режиме, в котором оно подключено к сети переменного напряжения,

Фиг.3 - коммутирующее устройство согласно фиг.1 и фиг.2 в рабочем режиме, в котором оно подключено к сети постоянного напряжения, причем модули устройства энергоснабжения используются в качестве преобразователей постоянного тока,

Фиг.4 - примеры для возможных деталей электрической схемы соединений модуля устройства согласно фиг.1-3,

Фиг.5-10 - возможные варианты осуществления переключателей для стыковки первичных сторон трансформаторов в первом и втором модуле,

Фиг.11 - предпочтительный вариант осуществления пары модулей, причем одно из двух сочленений на первичной стороне трансформаторов изготавливается каждый раз с помощью полупроводникового реле первого выпрямителя, и

Фиг.12 - пара сочлененных модулей, причем также первые выпрямители модулей используются в качестве частей преобразователя постоянного тока, если коммутирующее устройство эксплуатируется в сети постоянного напряжения.

Представленное на фиг.1 устройство энергоснабжения через сетевое подключение А и токоприемник 1 является подключаемым к электрической распределительной сети 10. При этом распределительная сеть может быть сетью постоянного напряжения или сетью переменного напряжения. Для работы в сети постоянного напряжения токоприемник 1 через катушку 3 индуктивности и электрическое соединение 5 соединен с переключателем S₃. В зависимости от положения переключателя S₃, электрическое соединение 5 может соединяться с первым потенциалом 7 промежуточного контура ZK постоянного напряжения либо непосредственно, либо, как более подробно разъясняется на фиг.3, с помощью электрической линии 12. Другой потенциал 8 промежуточного контура ZK постоянного напряжения по меньшей мере через одно колесо 9 рельсового транспортного средства электрически соединяется с не показанным на фиг.1 рабочим рельсом. Между потенциалами 7, 8 промежуточного контура ZK постоянного напряжения включен конденсатор 14. Он служит для сглаживания колебаний напряжения и в качестве временного накопителя энергии. Другие возможные составные части коммутирующего устройства, такие как, например, поглощающий контур с подключенным последовательно конденсатором и катушкой индуктивности между потенциалами 7, 8, на фиг.1 не изображены.

К контуру ZK постоянного напряжения подключен тяговый инвертор 13, который преобразовывает постоянное напряжение и подает электроэнергию на тяговый электродвигатель. В качестве альтернативы, к тому же самому промежуточному контуру ZK постоянного напряжения могут быть подключены несколько тяговых инверторов и/или один тяговый инвертор может снабжать электроэнергией более чем один тяговый электродвигатель. Также может быть предусмотрено более одного промежуточного контура постоянного напряжения. Другие возможные варианты коммутирующего устройства более подробно были рассмотрены до описания фигур. Прежде всего, вместо одного единственного сетевого подключения А может быть предусмотрено по меньшей мере одно другое сетевое подключение, посредством которого происходит, например, принципиально любая работа в сетях постоянного напряжения. В этом случае, например, электрическое соединение 5, вместо соединения с сетевым подключением А для работы в сети переменного напряжения, соединено с дополнительным сетевым подключением для работы в сети постоянного напряжения. Опционально, в этом случае для работы в сетях постоянного напряжения может иметься по меньшей мере один другой токоприемник.

Для работы в сети переменного напряжения токоприемник 1 через фильтрующую катушку 2 индуктивности, а переключатель S₀ соединен с электрическим подключением 191 модуля M₁. Через второе электрическое подключение 201 модуль M₁ соединен с электрическим подключением 192 второго модуля М₂. Второе электрическое подключение 202 второго модуля M₂ соединено с первым электрическим подключением 193 третьего модуля М₃. Второе электрическое подключение 203 третьего модуля М₃ соединено с первым электрическим подключением 194 четвертого модуля М₄. Опционально, второе электрическое подключение 204 четвертого модуля М₄ через другие, не показанные на фиг.1 модули и, по меньшей мере, через колесо 9 соединено с рабочим рельсом. В разных формах осуществления такого коммутирующего устройства количество модулей М может варьироваться. Кроме того, при необходимости, модули в том же самом коммутирующем устройстве могут подключаться или отключаться. Отключенный модуль больше не является частью последовательного соединения от токоприемника через катушку 2 индуктивности, в каждом случае через первое электрическое подключение 19, а также второе электрическое подключение 20 модулей М и колесо 9 к рабочему рельсу. Однако подключенный модуль является частью этого последовательного соединения.

Каждый модуль М имеет первый выпрямитель 151, 152, 153, 154 (например, Н-мост (четырехквадрантный преобразователь)), который соединен с первым электрическим подключением 191, 192, 193, 194 (или же 19 на фиг.4) и со вторым электрическим подключением 201, 202, 203, 204 (или же 20 на фиг.4).

Соответствующие друг другу компоненты и подключения модулей, которые обозначены ссылочными обозначениями, за исключением последней цифры соответствующей ссылочной позиции обозначены одними и теми же цифрами. В последней цифре ссылочных обозначений стоит номер модуля. Далее, по меньшей мере, частично отказались от указания последней цифры, так как модули имеют одинаковую конструкцию.

На стороне постоянного напряжения первого выпрямителя 15 находятся две линии постоянного напряжения с различным потенциалом, между которыми включен конденсатор С_р и к которым подключена сторона постоянного напряжения инвертора 16. Сторона переменного напряжения инвертора 16 через трансформатор 17 соединена со стороной переменного напряжения второго выпрямителя 18. В зависимости от того, должен ли трансформатор 17 образовывать с подключенными преобразователями 16 и 18 последовательный резонансный преобразователь или нет, преобразователи 16, 18, могут по меньшей мере через один конденсатор быть соединены с трансформатором, как, например, описано со ссылкой на фиг.4. Сторона постоянного напряжения второго выпрямителя 18 через две линии постоянного напряжения соединена с третьим электрическим подключением 21 или же четвертым электрическим подключением 22 модуля М. Между этими линиями постоянного напряжения включен конденсатор C_S. Третьи электрические подключения 21 модуля М при работе в сети переменного напряжения (фиг.2) соединены с первым потенциалом 7 промежуточного контура ZK постоянного напряжения. Между потенциалами 7, 8 промежуточного контура постоянного напряжения возникает электрическое напряжение U_ZK.

Пример осуществления для подробной электрической конструкции одного из модулей М изображен на фиг.4. Первый выпрямитель 15, который на его стороне переменного напряжения соединен с первым подключением 19 и вторым подключением 20, имеет два ответвления, в которых каждый раз последовательно включены два полупроводниковых реле G₁, G₂, G₃, G₄. Первое электрическое подключение 19 соединено с точкой соединения между двумя полупроводниковыми реле первого ответвления. Второе электрическое подключение 20 соединено с точкой соединения между двумя полупроводниковыми реле второго ответвления. Параллельно каждому полупроводниковому реле подключен безынерционный диод F, причем не все изображенные на фиг.4 диоды точно обозначены ссылочным обозначением F. Концы обоих параллельно включенных ответвлений с полупроводниковыми реле G подключены к электрическим подключениям стороны постоянного напряжения выпрямителя 15, между которыми подключен конденсатор СР. Выпрямитель 15 работает как Н-мост, если устройство энергоснабжения и, таким образом, рельсовое транспортное средство эксплуатируется в сети переменного напряжения.

Инвертор 16 имеют такую же конструкцию, как, например, выпрямитель 15, причем стороны постоянного напряжения выпрямителя 15 и инвертора 16 соединены между собой. Полупроводниковые реле инвертора 16 обозначены ссылочными обозначениями P₁, P₂, P₃, P₄. Сторона переменного напряжения инвертора 16 через конденсатор C_RP соединен с первичной стороной трансформатора 17. Вторичная сторона трансформатора 17 через конденсатор C_RS соединена со вторым выпрямителем 18, который имеет такую же конструкцию, что и первый выпрямитель 15. Его полупроводниковые реле обозначены ссылочными обозначениями S1, S₂, S₃, S4. На стороне постоянного напряжения второго выпрямителя 18 находится конденсатор C_S.

При работе в сети переменного напряжения между первым 19 и вторым 20 электрическим подключением падающее переменное напряжение выпрямляется выпрямителем 15, подается на инвертор 16, который преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение в диапазоне средних частот, и подается на первичную сторону трансформатора 17. Предпочтительно, трансформатор 17 эксплуатируется с коэффициентом трансформации 1:1, то есть напряжение не изменяется, или он эксплуатируется, например, с коэффициентом трансформации 2:1. Альтернативно, трансформатор 17 может также иметь другой коэффициент трансформации. На вторичной стороне трансформатора 17 переменное напряжение подается на второй выпрямитель 18, который выпрямляет переменное напряжение в постоянное напряжение, которое подается в промежуточный контур ZK постоянного напряжения. Вследствие того, что модули М включены последовательно на своей сетевой стороне, но на их стороне промежуточного контура постоянного напряжения они включены параллельно, очень высокое переменное напряжение, например 15 кВ, может преобразовываться в постоянное напряжение в промежуточном контуре постоянного напряжения в диапазоне от 1 кВ до 3 кВ, не превышая максимально допустимое рабочее напряжение полупроводниковых реле.

Если устройство энергоснабжения согласно фиг.1 работает в сети постоянного напряжения, необходимая для промежуточного контура ZK энергия передается через электрическое соединение 5. В самом простом случае, который описан выше в виде второго рабочего режима постоянного напряжения, переключатель 8зсоединяет электрическое соединение 5 с электрической линией 4 и, таким образом, непосредственно с частью промежуточного контура ZK постоянного напряжения, который работает на потенциале 7. Например, тяговый инвертор 13 рассчитан так, что второй рабочий режим постоянного напряжения при работе в сети постоянного напряжения существует при номинальном рабочим напряжении 1,5 кВ.

Далее описываются дополнительные признаки коммутирующего устройства согласно фиг.1-3, которые до настоящего момента не были описаны подробно и которые служат для работы по меньшей мере в одном так называемом первом рабочем режиме постоянного напряжения, прежде всего трансформаторы 17 и преобразователи 16, 18, а также, опционально, первый выпрямитель 19 в качестве преобразователя постоянного тока.

Вышеупомянутая электрическая линия 12 соединяет контакт переключателя S₃ с контактами переключателей S₄₁, S₄₃ (и, опционально, с другими такими переключателями, если имеется более четырех изображенных на фиг.1-3 модулей М). При работе в сети переменного напряжения (фиг.2) электрическая линия 12 не соединена с электрическим соединением 5. Также, переключатели S₄₁, S₄₃ в этом случае находятся во включенном состоянии, в котором электрические подключения 21 модулей, прежде всего также модулей M₁ и М₂, через электрическую линию 14 соединены с частью промежуточного контура ZK постоянного напряжения, который находится на потенциале 7.

В изображенном на фиг.3 первом рабочем режиме переменного напряжения электрическая линия 12 через переключатель 8з соединена с электрическим соединением 5 и, таким образом, с сетью 10 постоянного напряжения. Переключатели S₄₁, S₄₃ находятся во включенном состоянии, в котором подключения 21 в каждом случае половины модулей М соединены с электрической линией 12. В примере осуществления модуль M₁ через переключатель S₄₁ своим подключением 211 подключен к электрической линии 12. То же самое применимо для подключения 213 модуля М₃, который через переключатель S₄₃ соединен с электрической линией 12. Электрические подключения 21 других (активных) модулей, в примере осуществления модулей М₃ и М₄, постоянно соединены с электрической линией 14 и, таким образом, находятся на потенциале 7 промежуточного контура ZK постоянного напряжения. Кроме того, электрические подключения 221, 223 модулей M₁, М₂через переключатель S₄₂ или же S₄₄ соединены с электрической линией 13, которая находится на втором потенциале 8 промежуточного контура постоянного напряжения. То же самое действительно для изображенного на фиг.2 рабочего режима, в котором устройство эксплуатируется в сети переменного напряжения, и поэтому также переключатель So подключен на стороне переменного напряжения первого модуля M₁. Наряду с активными модулями, при эксплуатации в качестве преобразователя постоянного тока также могут быть и пассивные модули, то есть модули, которые не принимают участие в работе в качестве преобразователя постоянного тока.

Если, напротив, как показано на фиг.3, устройство находится в первом рабочем режиме постоянного напряжения, электрические подключения 221, 223 модулей M₁ и М₃ через переключатель S₄₂ или же S₄₄ соединены с электрической линией 14. В то время как в изображенном на фиг.2 рабочем режиме рельсовое транспортное средство эксплуатируется в сети переменного напряжения, и, таким образом, например, описанный со ссылкой на фиг.4 режим эксплуатации равным образом действителен для каждого модуля М, модули М при изображенном на фиг.3 первом рабочем режиме постоянного напряжения, попарно эксплуатируются в каждом случае в качестве преобразователя постоянного тока. Поэтому режим эксплуатации модулей M₁, М₂ или же М₃, М₄ является различным. Поток энергии из сети 10 постоянного напряжения происходит через сторону постоянного напряжения модуля M₁, М₃, то есть через вторичную сторону трансформатора 171, 173 к соединенным между собой первичным сторонам трансформаторов 17, а от этих первичных сторон через трансформаторы 172, 174 - к вторичной стороне трансформаторов 172, 174 или же к стороне постоянного напряжения модулей M₂, M₄.

В примере осуществления фиг.3 только первичные стороны внутри пар модулей M₁, М₂, М₃, M₄ соединены между собой. Для этого имеются переключатели S₁₁, S₁₂ или же S₁₃, S₁₄, которые соединяют между собой линии на разных потенциалах модулей М. Это соединение уже было обозначено как сочленение. В случае с коммутирующим устройством с переключателями S₁₁, S₁₂, S₁₃, S₁₄ речь идет только об одном из нескольких возможных примерах осуществления. С одной стороны, тип переключателя может варьироваться, как будет объяснено ниже со ссылкой на фиг.5-10. С другой стороны, можно отказаться от одного из прямых соединений между линиями постоянного напряжения модулей, которые соединяют сторону постоянного напряжения первого выпрямителя 15 со стороной постоянного напряжения инвертора 16, как будет объяснено ниже с помощью фиг.11. В рабочем режиме (фиг.2) переменного напряжения переключатели S₁₁, S₁₂, S₁₃, S₁₄ разомкнуты. Так что линии постоянного напряжения модулей М не сочленены попарно.

В представленной на фиг.3 форме осуществления соединение подключений 21, 22 модулей М для каждой пары модулей M₁, М₂, М₃, М₄ образует делитель напряжения, так как подключения 221, 212, а также 223, 214 в этом режиме работе находятся на одинаковом электрическом потенциале и, так как постоянное напряжение сети постоянного напряжения разделяется, таким образом, соответственно на постоянное напряжение в промежуточном контуре ZK постоянного напряжения. Но это предполагает, что модули эксплуатируются в соответствующих парах модулей M₁, М₂, М₃, М₄ одинаковым образом, а именно, трансформаторы 17 эксплуатируются вместе с подключенными преобразователями 16, 18 в качестве последовательных резонансных преобразователей, и первые выпрямители 15 не оказывают влияния на выходное напряжение пар между подключениями 212, 222 или же 214, 224. В противном случае между сетевым постоянным напряжением и постоянным напряжением в промежуточном контуре ZK не образуется прочный коэффициент напряжения, а выходное напряжение и, тем самым, постоянное напряжение промежуточного контура ZK зависит от режима работы выпрямителей 15.

Если первые выпрямители 19 не оказывают влияния на выходное напряжение преобразователя постоянного тока, то на первом модуле M₁, М₃ первой пары модулей подается разделенное сетевое постоянное напряжение, и это сетевое постоянное напряжение через вторые выпрямители 181, 183 преобразовывается в переменное напряжение. Это преобразованное переменное напряжение в соответствии с коэффициентом трансформации трансформатора 171, 173 передается на сторону переменного напряжения инвертора 161 или же 163 и от этого инвертора преобразовывается в постоянное напряжение. Ввиду непосредственного сочленения со стороной постоянного напряжения инвертора 162, 164 второго модуля М₂, М₄ пары модулей это постоянное напряжение передается непосредственно, и инвертор 162 или же 164 вырабатывает переменное напряжение, которое снова в соответствие с коэффициентом трансформации трансформаторов 172, 174 преобразовывается в переменное напряжение на вторичной стороне. Исходя из этого, вторые выпрямители 182, 184 образуют выходное напряжение преобразователя постоянного тока, которое вследствие вышеописанной части напряжения также соответствует коэффициенту деления. При этом следует отметить, что коэффициент деления не является неизбежно 1:2, а может выбираться также по-разному в зависимости от выбора размеров электрических компонентов. Но в этом случае следует обратить внимание на то, что при работе в сети переменного напряжения желаемое выходное напряжение образуется в промежуточном контуре ZK постоянного напряжения. В качестве опции также возможно, чтобы определенные электрические компоненты, например, конденсаторы и катушки включались исключительно для первого рабочего режима постоянного напряжения, например, через изображенные на фиг.1-5 переключатели, так чтобы получался желаемый коэффициент деления делителя напряжения.

На фиг.5 показана первая форма осуществления переключателя для сочленения первичных сторон трансформаторов пары модулей, например переключателей S₁₁, S₁₂, S₁₃ или S₁₄ согласно фиг.1-3. Переключатель имеет последовательное включение из двух полупроводниковых реле, а именно БТИЗ 51, 52, причем пропускное направление БТИЗ направлено в противоположном направлении. В каждом случае встречно-параллельно БТИЗ 51, 52 подключен безынерционный диод 53, 54. Если, например, подключен БТИЗ 51, ток может течь от первого подключения 55 переключателя через подключенный БТИЗ 51 и безынерционный диод 54 ко второму подключению 56 переключателя. Если включены оба БТИЗ 51, 52 или включен только один БТИЗ 52, ток может течь в обратном направлении от второго подключения 56 через БТИЗ 52 и безынерционный диод 53 к первому подключению 55. Такому переключателю эквивалентно сочленение, которое будет описано ниже с помощью примера осуществления согласно фиг.11.

На фиг.6 показана альтернатива для показанного на фиг.5 переключателя. При этом речь идет о переключателе 61, который в замкнутом состоянии создает контакт электрической линии между подключениями 65, 66 и, тем самым, создает сквозную электрическую линию между подключениями 65, 66. В разомкнутом состоянии переключателя 61 электрическая линия между подключениями 65, 66 разорвана.

На фиг.7 показан другой вариант переключателя для соединения первичных сторон. Между подключениями 75, 76 встречно-параллельно друг другу подключены два тиристора 71, 72. При соответствующем электрическом напряжении на подключениях 75, 76 ток течет через соответствующий тиристор 71, 72, когда тиристор подключен через соответствующий управляющий электрод 73, 74.

Показанный на фиг.8 другой вариант переключателя для соединения первичных сторон имеет симистор 84, который соединяет противоположные подключения 85, 86 переключателя. При включении симистора 84 через управляющий электрод 83 симистор 84 становится электрически проводящим в обоих направлениях прохождения тока.

Еще один вариант переключателя для соединения первичных сторон изображен на фиг.9. Схожим образом, как и на фиг.7, два запираемых тиристора (Gate Turn-Off Thyristoren) подключены встречно-параллельно относительно друг друга. За счет токовых импульсов на управляющих электродах 93, 94 могут включаться и выключаться запираемые тиристоры 91, 92. Вместо запираемых тиристоров могут также применяться тиристоры с интегрированным управлением (то есть, Integrated Gate-Commutated Thyristoren)

Показанный на фиг.10 вариант переключателя для соединения первичных сторон обходиться единственным переключаемым полупроводниковым компонентом. В представленном случае речь идет о БТИЗ 101. Однако могут применяться и другие переключаемые полупроводниковые компоненты, например, тиристор или запираемый тиристор. Встречно-параллельно БТИЗ 101 предусмотрен безынерционный диод 103. Противоположные подключения 102а, 102b этой встречно-параллельной схемы соединений соединены с контактными точками в каждом случае одного последовательного соединения из двух диодов 107а, 107b; 107с, 107d, а именно, с контактной точкой между обоими диодами 107 последовательного соединения. При этом диоды 107а, 107b подключены в обратном пропускном направлении таким образом, что ток по выбору может течь от подключения 105 или подключения 106 переключателя через соответствующий диод 107а или же 107b к подключению 102b. Другие оба диода 107с, 107d подключены при противоположном пропускном направлении последовательно по отношению друг к другу таким образом, что ток может протекать от подключения 102а либо через диод 107 с, либо через диод 107d к подключению 105 или же 106. Поэтому во включенном состоянии БТИЗ 101, в зависимости от того, больше ли электрический потенциал на подключении 105 или на подключении 106, ток может течь от подключения 102b к подключению 102а.

На фиг.11 показана пара модулей M₁, М₂, которая при работе в сети постоянного напряжения может использоваться в качестве преобразователя постоянного тока. Речь идет, например, об изображенных на фиг.1-3 модулях M₁, M₂, причем отдельные модули могут быть выполнены, как изображено на фиг.4. Поэтому на фиг.11 применяются те же ссылочные обозначения, что и на фиг.1-4. При этом на фиг.11 изображены не все возможные компоненты и соединения устройства.

На фиг.11 изображено соединение 111, которое, также изображено на фиг.1-3 и которое соединяет подключение 201 первого модуля M₁ с подключением 192 другого модуля M₂. Таким образом, соединение 111 соединяет первые выпрямители 151, 152 пары модулей М. Это электрическое соединение 111 соединяет точку соединения между полупроводниковыми реле G₃₁, G₄₁ первого выпрямителя 151 (модуль M₁) с точкой соединения между обоими полупроводниковыми реле G₃₂, G₄₂ первого выпрямителя 152 другого модуля M₂. Вследствие этого экономится переключатель S₁₁ на фиг.1-3. При работе в качестве преобразователя постоянного тока полупроводниковые реле G₄₁ и G₄₂ включены постоянно, так что ток может течь как от линии 112 постоянного напряжения, изображенной далее внизу на фиг.11 на первичной стороне трансформатора 171 (модуль M₁) к линии 114 постоянного напряжения, изображенной далее внизу на первичной стороне трансформатора 172 (модуль М₂), так и наоборот. В каждом из обоих возможных направлениях течения тока в каждом случае ток протекает через одно из полупроводниковых реле и безынерционный диод другого полупроводникового реле G₄₁, G₄₂. Таким образом, только еще для соединения других обеих линий 113, 115 постоянного напряжения обоих модулей M₁, M₂ требуется переключатель S12 который, например, может быть выполнен как описано на фиг.5-10.

На фиг.12 схожим образом, как и на фиг.11, показана пара модулей M₁, M₂. Для одних и тех же элементов применяются одни и те же ссылочные обозначения. Далее будут описаны только различия между устройством на фиг.11 и устройством на фиг.12.

На фиг.11 видно, что соединение между линиями 113, 115 постоянного тока, которое имеет переключатель S₂, заменено соединением, которое имеет катушку 117 индуктивности (например, по меньшей мере одну катушку) и последовательно к ней переключатель 85. Альтернативно электрическому соединению, которое имеет катушку 117 индуктивности, а переключатель 85, между подключениями 191, 202 предусмотрено электрическое соединение, которое имеет катушку 116 индуктивности (например по меньшей мере одну катушку), а переключатель 86 последовательно друг другу. Также могут быть предусмотрены другие соединения, то есть, соединения с катушкой 116 индуктивности и катушкой 117 индуктивности. В этом случае отсутствует режим работы, при котором одновременно включены переключатели 85 и 86.

Кроме того, также как в устройстве согласно фиг.11, предусмотрено соединение 111. Но устройство на фиг.12, в отличие от устройства на фиг.11, служит реализации одного из первых рабочих режимов постоянного напряжения, в котором не только инверторы 16, трансформаторы 17 и вторые выпрямители 18 обоих модулей используются для работы в качестве преобразователя постоянного тока, но и первые выпрямители 15. Для этого рабочего режима включается либо переключатель 85, либо переключатель 8бИ полупроводниковые реле G первых выпрямителей 151, 152 повторно включаются и выключаются таким образом, что постоянное напряжение, прилегающее на стороне постоянного напряжения инвертора 161 между линиями 112, 113 постоянного тока, преобразовывается либо в повышенное, либо в пониженное постоянное напряжение между линиями 114, 115 постоянного тока другого модуля на входе инвертора 162. Прежде всего, первые выпрямители 151, 152, соединенные между собой через соединение 111 и либо через катушку индуктивности 116 или 17 эксплуатируются в качестве вольтодобавочных или в качестве понижающих трансформаторов.

Согласно первому способу переключатель 85 закрыт, а переключатель 8б открыт.Эти положения коммутирующих элементов остаются неизменными во время работы в качестве преобразователя постоянного тока. Кроме того, полупроводниковые реле G₁₁, G₂₁, G₁₂ и G₂₂ остаются постоянно включенными во время этой работы, то есть в работе принимают участие только соответствующие, указанные на фиг.12 справа мосты первых выпрямителей 151, 152.

Если при этом постоянное напряжение, которое необходимо достичь между подключениями 211, 221 первого модуля M₁, должно быть больше, чем постоянное напряжение, которое необходимо достичь между подключениями 212, 222 второго модуля М₂, то переключатель G₃₂ остается постоянно выключенным, а переключатель G₄₂ постоянно включенным. Для того чтобы установить желаемое постоянное напряжение между подключениями 212 и 222, то есть в промежуточном контуре постоянного тока, то в этом способе полупроводниковые реле G₄₁ и G₄₂ могут повторно включаться и отключаться (далее это обозначается также как «такты»).

Падающее между линиями 113, 112 первого модуля M₁ через соответствующий конденсатор С_р напряжение обозначается как U_p, a напряжение, имеющееся через конденсатор С_р второго модуля М₂ между линиями 115, 114, обозначается как U_s. Например, на катушку 117 индуктивности подается напряжение U_p-U_s (первое положение), причем переключатель G₄₁ включен, а переключатель G₃₁ отключен. Положение коммутирующих элементов - U_s (второе положение) может достигаться посредством того, что переключатель G₃₁ включен, а переключатель G₄₁ выключен. Соотношение значений постоянного напряжения на подключениях 211, 221 первого модуля M₁, с одной стороны, и между подключениями 212, 222 второго модуля М₂, с другой стороны, соответствует соотношению времени, в котором существует первое положение и второе положение. На катушке 117 индуктивности в среднем по времени падает напряжение U_L, причем

U_L=(U_p-U_s)⋅t1-U_s⋅t2

При этом t1 - нормированная сумма временных интервалов, во время которых существует первое положение, a t2 - нормированная сумма временных интервалов, во время которых существует второе положение. «Нормированный» означает, что t1+t2=1.

Как было упомянуто выше, часть энергии течет непосредственно из сети постоянного тока в промежуточный контур постоянного напряжения, а другая часть энергии течет из сети постоянного тока опосредованно через преобразователь постоянного тока в промежуточный контур постоянного напряжения. За счет тактовой работы переключателей G может изменяться поток энергии между двумя модулями и, таким образом, устанавливаться постоянное напряжение в промежуточном контуре постоянного напряжения. Если, например, энергия должна течь исключительно от модуля M₁ к модулю М₂, только переключатель G₃₁ работает тактовым образом, тогда как переключатель G₄₁ остается выключенным. Если, наоборот, энергия должна течь исключительно от модуля М₂ к модулю M₁, переключатель G₃₁ остается отключенным, а тактовым образом работает только переключатель G₄₁.

Если, например, напряжение между подключениями 212, 222 должно быть установлено больше, чем напряжение между подключениями 211, 221, переключатель G₃₁ остается постоянно выключенным, а переключатель G₄₁ остается постоянно включенным. В этом случае переключатели G₃₂ и G₄₂ могут включаться и выключаться. Для того чтобы энергия могла течь исключительно от первого модуля M₁ ко второму модулю М₂, переключатель G₃₂ остается выключенным, тогда как только переключатель G₄₂ работает тактовым образом. И наоборот, если энергия должна течь только от второго модуля М₂ к первому модулю M₁, переключатель G₄₂ остается выключенным, и только переключатель G₃₂ работает тактовым образом.

При другом способе для работы преобразователя постоянного тока переключатель 85 постоянно открыт (отключен), а переключатель 85 постоянно закрыт (включен). Эффект, который может достигаться при работе с этим положением переключателя, выражается в более крупной частоте на катушке 116 индуктивности, чем частота переключения отдельных переключателей.

Согласно первому способу, который можно обозначить как управление токовым режимом (по-английски: current mode control), ток регулируется, например, посредством первого контура регулирования с помощью катушки индуктивности 116 или же 117. Для этого ток измеряется (посредством не изображенного на фиг.12 датчика тока). Если ток достигает порогового значения, соответствующий переключатель отключается. Кроме того, этот переключатель включается периодически, например в соответствие с внешним тактовым сигналом. Пороговое значение для тока может определяться, например, в вышестоящем втором контуре регулирования. Прежде всего, этот второй контур регулирования или же этот второй регулятор может регулировать соотношение напряжения между парой подключений 211, 221, с одной стороны, и парой подключений 212, 222, с другой стороны. Прежде всего, эти напряжения могут таким же образом измеряться на парах подключений и вводиться в качестве входных параметров во второй регулятор.

Таким образом, прежде всего, возможно:

- регулировать напряжение промежуточного контура постоянного напряжения до заданного значения. Тем самым, напряжение может регулироваться до 1,8 кВ и, таким образом, до более высокого значения, чем если модули эксплуатируются при сетевом напряжении 3 кВ без первых выпрямителей, то есть сетевое напряжение уменьшается в два раза, в примере осуществления до 1,5 кВ. Преимущество регулировки напряжения промежуточного контура до постоянной величины состоит в том, что инвертор 13 двигателя (фиг.1-3) может быть рассчитан на меньшие колебания напряжения и, таким образом, может иметь более компактное исполнение.

- за счет регулировки можно предотвратить то, что токи протекают с частотными составляющими в нежелательных диапазонах частот. Нежелательные диапазоны частот существуют, например, так как в этих диапазонах частот должны передаваться сигналы (то есть, информация).

Обе вышеназванные стратегии могут преследоваться также одновременно, то есть одновременно может происходить регулировка напряжения промежуточного контура постоянного напряжения до заданного значения и можно предотвратить появление токов в нежелательных частотных составляющих.

Согласно конкретному примеру осуществления для более простого понимания сначала определяются положение коммутирующих элементов. Для первого модуля M₁ определяется переменная р1 положения коммутирующих элементов и также определяется вторая переменная р2 положения коммутирующих элементов. Переменная р1 положения коммутирующих элементов может принимать положения 0 и 1 и затрагивает переключатели G11 и G21. В положении р1=1 коммутирующих элементов включен переключатель G11, а переключатель G21 выключен. Также переменная р2 положения коммутирующих элементов может принимать положения 0 и 1 коммутирующих элементов. В положении р2=1 положения коммутирующих элементов переключатель G₃₁ включен, а переключатель G₄₁ выключен. В положении р2=0 положения коммутирующих элементов включен переключатель G₃₁, а переключатель G₄₁ включен. Для модуля М₂ определяются соответствующие переменные s1 и s2 положения коммутирующих элементов. В положении s1=1 коммутирующих элементов переключатель G₁₂ включен, а переключатель G₂₂ выключен. В положении s1=0 коммутирующих элементов переключатель G₁₂ выключен, а переключатель G₂₂ включен. В положении s2=1 коммутирующих элементов переключатель G₃₂ включен, а переключатель G₄₂ выключен. В положении s2=0 коммутирующих элементов переключатель G₃₂ выключен, а переключатель G₄₂ включен.

Кроме того, подключение катушки 116 индуктивности, расположенное далее вверху на фиг.12 определяется как положительное подключением и подключение катушки 116 индуктивности, расположенное далее внизу на фиг.12 определяется как отрицательное подключением. Поэтому ток, протекающий через катушку 116 индуктивности от положительного подключения к отрицательному подключению (то есть, от подключения к подключению 202) считается положительным током.

Падающее на катушке 116 индуктивности напряжение U_L получается из следующего уравнения:

U_L=U_p⋅(p1-p2)+U_s⋅(s2-s1).

На основании этих определений можно определить разные рабочие состояния. Посредством переключения может переключаться переключатель G между состояниями, в котором (первое состояние) напряжение U_L равно разнице напряжения U_p-U_s, а во втором состоянии напряжения U_L равно отрицательному напряжению - U_s. Этот режим работы, в котором происходит переключение между обоими названными состояниями, соответствует режиму работы известного самого по себе понижающего преобразователя.

Оба названных состояния напряжения катушки 116 индуктивности могут достигаться с помощью различных общих состояний коммутирующих элементов. Кроме того, также могут достигаться соответствующие рабочие режимы, когда закрыт не переключатель 86, а переключатель 85 и поэтому вместо катушки 116 индуктивности используется катушка 117 индуктивности.

Если переключатель 86 включен и поэтому используется катушка 116 индуктивности, то состояние напряжения U_p-U_s может достигаться посредством выше определенных положений коммутирующих элементов переменных состояния p1=1 и р2=0 и s1=1 и s2=0. Положение - U_s коммутирующих элементов может достигаться посредством р=0 и р2=0 и s1=1 и s2=0. Кроме того, положение - U_s коммутирующих элементов может достигаться посредством следующего общего положения коммутирующих элементов: р=1 и р2=1 и s1=1 и s2=0.

Кроме того, например, может достигаться состояние, в котором напряжение U_L, падающее вследствие катушки индуктивности равно напряжению U_p между линиями 113 и 112.

Частота переключения отдельных переключателей может уменьшаться по сравнению с частотой переключения состояний напряжения между U_p-U_s, с одной стороны, и - U_s, с другой стороны, например, следующим образом. В примере осуществления друг за другом включаются состояния, перечисленные в списке от 1 до 4. После состояния 4 снова включается состояние 1. Состояниями являются:

1. р1=1, р2=0, s1=1, s2=0 (состояние U_L=U_p-U_s)

2. p1=0, р2=0, s1=1, s2=0 (состояние U_L=-U_s)

3. p1=1, р2=0, s1=1, s2=0 (состояние U_L=U_p-U_s)

4. p1=1, р2=1, s1=1, s2=0 (состояние U_L=-U_s)

Таким образом, в общем цикле всех состояний р1 и р2 коммутирующих элементов, только однажды происходит переключение в другое состояние и обратно. При этом ток за счет катушки индуктивности является положительным, то есть течет от первого ко второму модулю. Ток также может быть отрицательным, например, в следующей альтернативной последовательности коммутационных операций:

1. р1=0, р2=1, s1=0, s2=1 (состояние U_L=-U_p+U_s)

2. р1=1, р2=1, s1=0, s2=0 (состояние U_L=U_s)

3. р1=0, р2=1, s1=0, s2=1 (состояние U_L=-U_p+U_s)

4. р1=0, р2=0, s1=0, s2=1 (состояние U_L=U_s)

Таким образом, получают одинаковое направление потока энергии, как при названной вначале последовательности коммутационных операций, так как ток, так и напряжение являются отрицательными.

Реферат

Группа изобретений относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Устройство энергоснабжения для приводных устройств содержит подключение к электрической сети, подключение к промежуточному контуру постоянного напряжения (ZK), выпрямительное устройство, включающее несколько модулей, электрическое соединение для эксплуатации транспортного средства в сети постоянного напряжения. Каждый модуль содержит первый выпрямитель, подключенный через инвертор к трансформатору и через трансформатор соединенный со вторым выпрямителем. При постоянном напряжении сеть соединена со стороной постоянного напряжения второго выпрямителя первого модуля. Первичная сторона трансформатора первого модуля соединена с первичной стороной трансформатора второго модуля. Сторона постоянного напряжения второго выпрямителя второго модуля подключена к промежуточному контуру (ZK). Второй объект изобретения заключается в способе эксплуатации транспортного средства посредством устройства энергоснабжения. Третий объект заключается в способе изготовления устройства энергоснабжения. Технический результат заключается в снижении веса устройства электроснабжения. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

Формула