CZ290973B6

CZ290973B6 - Způsob napájení elektrického spotřebiče elektrickou energií a zapojení k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ290973B6
Application number: CZ19973431A
Authority: CZ
Inventors: Karl-Hermann Dr. Ketteler
Original assignee: Daimlerchrysler Rail Systems Gmbh
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2002-11-13
Also published as: RU2177883C2; ZA972081B; WO1997033766A1; PL182776B1; DE59711970D1; CZ343197A3; PL323147A1; UA46028C2; DE19609550A1; ATE277788T1; EP0833758A1; EP0833758B1; ES2229334T3

Abstract

P°ed p°epnut m z druh ho zdroje (12) energie na prvn zdroj (1) energie se d l vinut (MW1, MW2) paraleln provozovan v druh m usm r ova i (8) od sebe odd l , p°i em druh d l vinut (MW2) se spoj s prvn m usm r ova em (2) a prvn d l vinut (MW1) z stane spojeno s druh²m usm r ova em (8) pro nap jen r zn²ch d l ch vinut (MW1, MW2) r zn²mi usm r ova i (2, 8), a p°ed p°epnut m z prvn ho zdroje (1) energie na druh² zdroj (12) energie se odd len d l vinut (MW1, MW2) spot°ebi e (11, 11') na st° dav² proud v ka d f zi (R, S, T) st° dav ho proudu elektricky paraleln p°ipoj k druh mu usm r ova i (8), p°i em druh d l vinut (MW2) se odd l od prvn ho usm r ova e (2) a prvn usm r ova (2) se p°epne z provozu jako usm r ova spot°ebi e na provoz jako s ov² usm r ova . U zapojen je pro nap jen energi z prvn ho zdroje (1) energie prvn d l vinut (MW1) spojiteln s druh²m usm r ova em (8) a druh d l vinut (MW2) je spojiteln s prvn m usm r ova em (2). D l vinut (MW1, MW2) jsou pro nap jen energi z druh ho zdroje (12) energie p°ipojiteln paraleln k druh mu usm r ova i (8).\

Description

Způsob napájení elektrického spotřebiče elektrickou energií a zapojení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu napájení elektrického spotřebiče elektrickou energií, při němž se elektrická energie buď z prvního zdroje energie s předem stanovitelným stejnosměrným napětím, nebo z druhého zdroje energie s předem stanovitelným střídavým napětím prostřednictvím nejméně jednoho síťového usměrňovače, respektive prvního usměrňovače, a nejméně jednoho usměrňovače spotřebiče, respektive druhého usměrňovače, přeměňuje na elektrickou energii pro elektrické zařízení nebo pro spotřebič na střídavý proud, který obsahuje v každé fázi vedení střídavého proudu nejméně jedno první dílčí vinutí a nejméně jedno druhé dílčí vinutí, přičemž tato dílčí vinutí představují navzájem od sebe oddělená vinutí vedoucí proud.

Vynález se dále týká zapojení k napájení elektrického spotřebiče elektrickou energií, obsahující první usměrňovač a druhý usměrňovač, které jsou spínačem spojitelné s prvním zdrojem energie se stejnosměrným napětím nebo s druhým zdrojem energie se střídavým napětím pro přepínání z prvního zdroje energie na druhý zdroj energie a naopak, přičemž druhý usměrňovač je na straně střídavého proudu spojen s elektrickým zařízením nebo s nejméně jedním spotřebičem na střídavý proud a spotřebič na střídavý proud má vždy v každé fázi vedení střídavého proudu nejméně jedno první dílčí vinutí a nejméně jedno druhé dílčí vinutí.

Dosavadní stav techniky

V pat. spisu DE 41 38 256 je uveden dvousystémový koncept pro železniční pohony, který je navržen pro síťové střídavé napětí 15 kV, 16 2/3 Hz a pro síťové stejnosměrné napětí 3 kV. Hnací stroje jsou napájeny prostřednictvím jednoho nebo dvou střídačů ze stejnosměrného meziobvodu. V případě střídavé sítě je stejnosměrný meziobvod napájen prostřednictvím dvou paralelně zapojených čtyřmístných stavěčů, v případe stejnosměrné sítě dvou v sérii zapojených stejnosměrných stavěčů.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je dále vylepšit shora uvedený způsob a zapojení pro přeměnu elektrické energie tak, aby přeměna byla možná s vynaložením nepatrných technických prostředků. Za tím účelem se má zmenšit jak konstrukce elektrického zařízení, tak i jeho hmotnost, zejména pak otočný stavěč železničního pohonu.

Uvedený úkol splňuje způsob napájení elektrického spotřebiče elektrickou energií, při němž se elektrická energie buď z prvního zdroje energie s předem stanovitelným stejnosměrným napětím, nebo z druhého zdroje energie s předem stanovitelným střídavým napětím prostřednictvím nejméně jednoho síťového usměrňovače, respektive prvního usměrňovače, a nejméně jednoho usměrňovače spotřebiče, respektive druhého usměrňovače, přeměňuje na elektrickou energii pro elektrické zařízení nebo pro spotřebič na střídavý proud, který obsahuje v každé fázi vedení střídavého proudu nejméně jedno první dílčí vinutí a nejméně jedno druhé dílčí vinutí, přičemž tato dílčí vinutí představují navzájem od sebe oddělená vinutí vedoucí proud, podle vynálezu, jehož podstatou je, že před přepnutím z druhého zdroje energie s předem stanovitelným střídavým napětím na první zdroj energie s předem stanovitelným stejnosměrným napětím se dílčí vinutí paralelně provozovaná v druhém usměrňovači od sebe oddělí, přičemž druhé dílčí vinutí se spojí s prvním usměrňovačem a první dílčí vinutí zůstane spojeno s druhým usměrňovačem pro napájení různých dílčích vinutí různými usměrňovači, a před přepnutím z prvního zdroje

-1 CZ 290973 B6 energie s předem stanovitelným stejnosměrným napětím na druhý zdroj energie s předem stanovitelným střídavým napětím se oddělená dílčí vinutí spotřebiče na střídavý proud v každé fázi vedení střídavého proudu elektricky paralelně připojí k druhému usměrňovači, přičemž druhé dílčí vinutí se oddělí od prvního usměrňovače a první usměrňovač se přepne z provozní formy usměrňovače spotřebiče do provozní formy síťového usměrňovače.

Při provozu s prvním zdrojem energie se stejnosměrným napětím je tedy první dílčí vinutí motoru spojeno s druhým usměrňovačem, zatímco druhé dílčí vinutí motoru se spojí s prvním usměrňovačem, a při provozu s druhým zdrojem energie se střídavým napětím jsou obě dílčí vinutí, tedy první a druhé dílčí vinutí, paralelně napojena na druhý usměrňovač.

Výhodné provedení vynálezu spočívá v tom, že při napájení elektrickou energií z prvního zdroje energie se různá dílčí vinutí pro zmenšení zpětného působení sítě provozují se vzájemným fázovým posunutím výstupního napětí různých usměrňovačů.

Při napájení elektrickou energií z prvního zdroje energie se tedy dosáhne zmenšeného kmitání vyšších harmonických sítě fázovým posunutím výstupního napětí obou usměrňovačů a v důsledku toho zmenšení přídavných ztrát motoru, jakož i kmitání točivého momentu motoru.

Uvedený úkol dále splňuje zapojení k napájení elektrického spotřebiče elektrickou energií, obsahující první usměrňovač a druhý usměrňovač, které jsou spínačem spojitelné s prvním zdrojem energie se stejnosměrným napětím nebo s druhým zdrojem energie se střídavým napětím pro přepínání z prvního zdroje energie na druhý zdroj energie a naopak, přičemž druhý usměrňovač je na straně střídavého proudu spojen s elektrickým zařízením nebo s nejméně jedním, spotřebičem na střídavý proud a spotřebič na střídavý proud má vždy v každé fázi vedení střídavého proudu nejméně jedno první dílčí vinutí a nejméně jedno druhé dílčí vinutí, podle vynálezu, jehož podstatou je, že pro napájení energií z prvního zdroje energie je první dílčí vinutí spojitelné s druhým usměrňovačem a druhé dílčí vinutí je spojitelné s prvním usměrňovačem, přičemž dílčí vinutí jsou pro napájení energií z druhého zdroje energie připojitelná paralelně k druhému usměrňovači.

Podstatná přednost vynálezu spočívá v tom, že se jím sníží počet kabelů motoru a počet spínačů na střídavý proud. Zmenší se obvodové náklady při přepínání mezi zdroji energie s různým napětím, jakož i hmotnost kabelů ve střídavém stavěči.

Je zapotřebí jen málo kritických přepínacích úkonů. Kritickými přepínacími úkony jsou v této souvislosti spínací úkony uvnitř stejnosměrného meziobvodu měniče, neboť spínače v něm použité musí mít velmi nízkou indukčnost.

Vynález spočívá na dvoubodové spínací technice a nepotřebuje vysokofrekvenční nebo nízkofrekvenční stavěče s příslušnými stavěcími tlumivkami.

Při přeměně elektrické energie ze stejnosměrných zdrojů je zapotřebí jen jediné přeměny energie.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude v dalším textu blíže vysvětlen na příkladu provedení, znázorněném na výkresech.

Na obr. 1 je znázorněno vícesystémové zapojení pro pohon s měničem a dvěma stroji s dvěma dílčími vinutími pro každou fázi střídavého proudu v zapojení do hvězdy při provozu se stejnosměrnou sítí.

-2CZ 290973 B6

Na obr. 2 je znázorněno vícesystémové zapojení pro pohon při provozu se střídavou napájecí sítí.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn první zdroj 1 energie, tvořený stejnosměrnou sítí se stejnosměrným napětím U1 o velikosti 3 kV, která prostřednictvím sběrače proudu napájí stejnosměrný meziobvod ZK měniče tvořeného prvním usměrňovačem 2, stejnosměrným meziobvodem ZK a druhým usměrňovačem 8.

První usměrňovač 2 sestává ze čtyř dílčích měničů, zapojených paralelně svou stejnosměrnou stranou. Oba homí dílčí měniče jsou prostřednictvím prvního spínače SI spojitelné s prvním sekundárním vinutím SW1 síťového transformátoru T, který je primární stranou připojen na střídavou síť tvořící druhý zdroj 12 energie se střídavým napětím U2 o hodnotě 15 kV, s frekvencí 16 2/3 Hz. Oba dolní dílčí měniče prvního usměrňovače 2 jsou spojitelné prostřednictvím druhého spínače S2 s druhým sekundárním vinutím SW2 síťového transformátoru T. Homí dílčí měnič 2,1 prvního usměrňovače 2 proudu se při brzdicím provozu spotřebiče 11, 11' na střídavý proud, respektive motoru, respektive elektrického stroje ve spojení s jedenáctým spínačem SI 1 a prvním brzdovým odporem R1 použije jako stavěč brzdové energie případně omezovač okamžitého napětí, aby se zabránilo nežádoucím přepětím. Paralelně s prvním usměrňovačem 2 je ve stejnosměrném meziobvodu ZK zapojen první meziobvodový kondenzátor Cl.

První usměrňovač 2 je prostřednictvím stejnosměrného meziobvodu ZK spojen se střídačem, případně druhým usměrňovačem 8, v sérii, přičemž kladný pól 3 prvního usměrňovače 2 je připojen na stejnosměrné napětí U1 prvního zdroje 1 energie, záporný pól 4 prvního usměrňovače 2 je spojen prostřednictvím pátého spínače S5 s kladným pólem 5 druhého usměrňovače 8 a záporný pól 6 druhého usměrňovače 8 je spojen prostřednictvím filtrační tlumivky L, devátého spínače S9 a nejméně jedné osy 9 vozidla s kolejnicí 10, a je uzemněn. Paralelně s druhým usměrňovačem 8 je ve stejnosměrném meziobvodu ZK zapojen druhý meziobvodový kondenzátor C2 a brzdový stavěč s brzdovým odporem R2, případně omezovačem 7 okamžitého napětí, aby se zabránilo případným nežádoucím přepětím a tato případně odbourala prostřednictvím brzdového odporu R2.

Elektrické stroje, tvořící spotřebiče 11, U' na střídavý proud, mají každý třífázová motorová a statorová vinutí, která jsou rozdělena do dvou symetrických třífázových systémů vinutí, tj. do prvního dílčího vinutí MW1 a druhého dílčího vinutí MW2 vždy se stejným počtem závitů. Obě dílčí vinutí MW1, MW2 jsou zapojena do hvězdy a navzájem od sebe oddělena prostřednictvím sedmého spínače S7. Konce druhých dílčích vinutí MW2. spojené se sedmým spínačem S7, jsou prostřednictvím osmého spínače S8 a střídavých třífázových vedení s fázemi R', S', Τ' vedení spojeny se střídavými výstupy tří dolních dílčích usměrňovačů prvního usměrňovače 2. Konce prvních dílčích vinutí MW1, spojené se sedmým spínačem S7, jsou prostřednictvím střídavých třífázových vedení s fázemi R, S, T vedení napojeny na střídavé výstupy druhého usměrňovače 8.

Znázorněné spínací polohy prvního usměrňovače 2 a druhého usměrňovače 8, zapojené stejnosměrnou stranou v sérii, odpovídají napájení elektrických spotřebičů 11, 11' na střídavý proud, zapojených do hvězdy, ze stejnosměrné sítě tvořící první zdroj 1 energie o napětí 3 kV. Pokud první zdroj 1 energie, tvořený stejnosměrnou sítí, není schopen zpětně dodávanou brzdovou energii přijmout, musí se tato energie přeměnit v brzdových odporech Rl, R2 v teplo. V tomto zapojení slouží meziobvodové kondenzátory Cl a C2 v paralelním zapojení jako pomocné kondenzátory pro vyhlazení napětí ve stejnosměrném meziobvodu ZK. Stejnému účelu, tj. pro vyhlazení napětí, slouží kondenzátor C3, který je prostřednictvím šestého přepínače S6 rovněž zapojen paralelně k meziobvodovým kondenzátorům Cl a C2.

Obr. 2 znázorňuje schéma zapojení při provozu s druhým zdrojem 12 energie tvořeným střídavou sítí. Přepnutí stejnosměrné sítě tvořící první zdroj 1 energie na střídavou síť tvořící druhý zdroj 12 energie se provádí v bezproudém stavu, přičemž spínače Sl, S2. S3. S4. S7 a S10 se zapnou a spínače S5, S8, S9 a Sl 1 se vypnou. Šestý spínač S6 se přepne tak, že kondenzátor C3 5 a filtrační tlumivka L se zapojí do série. Sběrač proudu je připojen na stejnosměrnou síť tvořící první zdroj 1 energie. Dílčí vinutí MW1, MW2 elektrických strojů tvořících spotřebiče 11, H.' na střídavý proud jsou přitom zapojena paralelně. První usměrňovač 2, provozovaný při provozu se stejnosměrným napětím jako usměrňovač spotřebiče, případně jako střídač, se nyní provozuje jako usměrňovač sítě. Filtrační tlumivka L působí nyní společně s kondenzátorem C3, zapojeným 10 v sérii, jako vyhlazovací obvod, případně vyrovnávací obvod, pulzujícího síťového výkonu.

Vyhlazovací obvod je dimenzován na dvojnásobek síťové frekvence a je potřebný jen ujednofázové střídavé sítě.

Při napájení elektrických strojů tvořících spotřebiče 11, l_f na střídavý proud se může ze střídavé 15 sítě při normálním provozu vrátit brzdová energie zpět do střídavé sítě, přičemž druhý usměrňovač 8 se provozuje jako usměrňovač a první usměrňovač 2 jako střídač.

Všechny instalované spínače se mohou ovládat ručně, motoricky, pneumaticky nebo hydraulicky.

Jako řiditelné ventily se v usměrňovačích 2, 8 a v omezovači 7 okamžitého napětí použijí polovodičové spínače. V souladu se stavem techniky se mohou použít např. GTO-tyristory, to znamená řízené záporným impulzem, nebo tranzistory.

Podstatné přitom je, že dílčí vinutí MW1, MW2 motoru mohou být provozována jak se střídavou 25 sítí, tak také se stejnosměrnou sítí, v paralelním zapojení. Počet přívodních vedení motoru se tak může omezit na šest, to znamená, že pro každé dílčí vinutí MW1. MW2 motoru existují vždy tři vedení pro napájení střídavým proudem. Ušetří se spínač střídavého proudu a tři přídavná vedení motoru pro možné sériové spojení dílčích vinutí MW1, MW2. neboť pro dílčí vinutí MW1, MW2 neexistuje žádný podstatný rozdíl mezi provozem se stejnosměrnou sítí a provozem se 30 střídavou sítí.

Při provozu se střídavým napětím má meziobvodové napětí hodnotu 2 kV. Z toho vyplývá, že motory tvořící spotřebiče H, l_f na střídavý proud se musí dimenzovat na určité maximální svorkové napětí při základní frekvenci. Při tomto stabilizovaném meziobvodovém napětí 2 kV 35 při provozu se střídavým napětím je možno dosáhnout úspor v důsledku použití konstrukčních prvků této napěťové třídy s ohledem na jejich konstrukční výšku, hmotnost a cenu.

Při provozu se stejnosměrným napětím má meziobvodové napětí pro usměrňovače 2 a 8, zapojené v sérii, hodnotu přibližně 1,5 kV až maximálně 2,1 kV. Tím je pro motorová vinutí 40 zajištěno, že indukčnost vzduchové mezery v každém motoru tvořícím spotřebič 11, 1Γ na střídavý proud při provozu se stejnosměrným nebo střídavým napětím je přibližně stejná.

Dva systémy vinutí v motoru tvořícím spotřebič 11, 1Γ ^na střídavý proud se mohou navzájem přesadit o 30° na jednu pólovou dvojici a mohou být provedeny jako vinutí s dvěma pólovými 45 dvojicemi, přičemž p = pólová dvojice. V důsledku posunutého uspořádání dvou třívodičových dílčích vinutí MW1, MW2 se podstatně sníží kolísání točivého momentu motoru.

Každé dílčí vinutí MW1. MW2 elektrického stroje tvořícího spotřebič 11, H' na střídavý proud se může samozřejmě provozovat místo v zapojení do hvězdy také, v zapojení do trojúhelníku.

V důsledku posunutého taktování střídačů se při provozu se stejnosměrným napětím dosáhne ve stejnosměrném meziobvodu ZK snížení zpětných působení sítě.

-4CZ 290973 B6

Spotřebiče U, 11' na střídavý proud mohou být samozřejmě rozděleny do více než dvou dílčích vinutí MW1, MW2. V souladu s tím se potom musí použít více než dva usměrňovače pro pohon. Tímto způsobem je možno rozdělení na více systémů aplikovat i pro sítě menších stejnosměrných napětí.

Má-li být rozdělení na více systémů rozšířeno i na další sítě střídavých napětí, například s napětím 25 kV, pak je třeba volit síťové transformátory s jinými převodovými poměry. Použití u stejnosměrné sítě s napětím 1,5 kV je rovněž možné.

Místo jednoho elektrického stroje tvořícího spotřebič 11, 1Γ na střídavý proud by mohl být použit neznázoměný transformátor, který je například napojen na jinou střídavou síť a slouží jako spotřebič na střídavý proud k přenosu energie.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob napájení elektrického spotřebiče elektrickou energií, při němž se elektrická energie buď z prvního zdroje (1) energie s předem stanovitelným stejnosměrným napětím (Ul), nebo z druhého zdroje (12) energie s předem stanovitelným střídavým napětím (U2) prostřednictvím nejméně jednoho síťového usměrňovače, respektive prvního usměrňovače (2), a nejméně jednoho usměrňovače spotřebiče, respektive druhého usměrňovače (8), přeměňuje na elektrickou energii pro elektrické zařízení nebo pro spotřebič (11, 1Γ) na střídavý proud, který obsahuje v každé fázi (R, S, T) vedení střídavého proudu nejméně jedno první dílčí vinutí (MW1) a nejméně jedno druhé dílčí vinutí (MW2), přičemž tato dílčí vinutí (MW1, MW2) představují navzájem od sebe oddělená vinutí vedoucí proud, vyznačující se tím, že před přepnutím z druhého zdroje (12) energie s předem stanovitelným střídavým napětím (U2) na první zdroj (1) energie s předem stanovitelným stejnosměrným napětím (Ul) se dílčí vinutí (MW1, MW2) paralelně provozovaná v druhém usměrňovači (8) od sebe oddělí, přičemž druhé dílčí vinutí (MW2) se spojí s prvním usměrňovačem (2) a první dílčí vinutí (MW1) zůstane spojeno s druhým usměrňovačem (8) pro napájení různých dílčích vinutí (MW1, MW2) různými usměrňovači (2, 8), a před přepnutím z prvního zdroje (1) energie s předem stanovitelným stejnosměrným napětím (Ul) na druhý zdroj (12) energie s předem stanovitelným střídavým napětím (U2) se oddělená dílčí vinutí (MW1, MW2) spotřebiče (11, 1Γ) na střídavý proud v každé fázi (R, S, T) vedení střídavého proudu elektricky paralelně připojí k druhému usměrňovači (8), přičemž druhé dílčí vinutí (MW2) se oddělí od prvního usměrňovače (2) a první usměrňovač (2) se přepne z provozní formy usměrňovače spotřebiče do provozní formy síťového usměrňovače.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že při napájení elektrickou energií z prvního zdroje (1) energie se různá dílčí vinutí (MW1, MW2) pro zmenšení zpětného působení sítě provozují se vzájemným fázovým posunutím výstupního napětí různých usměrňovačů (2, 8).
3. Zapojení k napájení elektrického spotřebiče elektrickou energií, obsahující první usměrňovač (2) a druhý usměrňovač (8), které jsou spínačem (Sl, S2, S3, S7, S8) spojitelné s prvním zdrojem (1) energie se stejnosměrným napětím (Ul) nebo s druhým zdrojem (12) energie se střídavým napětím (U2) pro přepínání z prvního zdroje (1) energie na druhý zdroj (12) energie a naopak, přičemž druhý usměrňovač (8) je na straně střídavého proudu spojen s elektrickým zařízením nebo s nejméně jedním spotřebičem (11, 1Γ) na střídavý proud a spotřebič (11,1Γ) na střídavý proud má vždy v každé fázi (R, S, T) vedení střídavého proudu nejméně jedno první dílčí vinutí (MW1) a nejméně jedno druhé dílčí vinutí (MW2), vyznačující se tím, že pro napájení energií z prvního zdroje (1) energie je první dílčí vinutí (MW1) spojitelné s druhým

-5CZ 290973 B6 usměrňovačem (8) a druhé dílčí vinutí (MW2) je spojitelné s prvním usměrňovačem (2), přičemž dílčí vinutí (MW1, MW2) jsou pro napájení energií z druhého zdroje (12) energie připojitelná paralelně k druhému usměrňovači (8).