CZ343197A3

CZ343197A3 - Způsob a zapojení pro přeměnu elektrické energie

Info

Publication number: CZ343197A3
Application number: CZ973431A
Authority: CZ
Inventors: Karl-Hermann Dr. Ketteler
Original assignee: Daimlerchrysler Ag
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1998-04-15
Also published as: RU2177883C2; DE59711970D1; UA46028C2; ATE277788T1; ES2229334T3; EP0833758A1; PL323147A1; WO1997033766A1; CZ290973B6; EP0833758B1; DE19609550A1; ZA972081B; PL182776B1

Description

Vynález se týká způsobu pro přeměnu elektrické energie, u které se elektrická energie z nejméně jednoho prvního zdroje energie s předem zadavatelným stejnosměrným napětím a z jednoho druhého zdroje ener gie s předem zadavatelným střídavým napětím prostřednictvím nejméně jednoho sítového usměrňovače případně prvního usměrňovače a nejméně jednoho usměrňovače spotřebiče případně druhého usměrňovače přeměňuje v elektrickou energii pro elektrické zařízení nebo střídavý spotřebič, který má nejméně prvníi dílčí dílčí vinutí, přičemž vždy v každé fázi vinutí; a nejméně tato dílčí vinutí střídavého proudu jedno druhé představují navzájem od sebe oddělená proudovodná vinutí.

Vynález se dále týká zapojení pro provádění tohoto způsobu, u kterého první usměrňovač a druhý usměrňovač jsou spojeny s prvním zdrojem energie se stejnosměrným napětím nebo s druhým zdrojem energie se střídavým napětím, přičemž druhý usměrňovač je na straně střída vého proudu spojen s elektrickým zařízením nebo nejméně s jedním spotřebičem na střídavý proud a spotře bič na střídavý proud má vždy v každé fázi nejméně jedno první vinutí a nejméně jedno druhé vinutí.

Dosavadní stav techniky • ·

• · · ·

V pat. spisu DE 41 38 256 je uveden dvousystémový koncept pro železniční pohony, který je navržen pro sítové střídavé napětí 15 kV, 16 2/3 Hz a pro sítové 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 para lelně zapojených čtyřmístných stavěčů, v případe stejnosměrné sítě dvou v sérii zapojených stejnosměrných stavěčů.

x°É®íaÍ£_y5rnálezu.

Úkolem vynálezu je dále rozvinout 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.

Podstata vynálezu spočívá tedy v tom, že při provozu s prvním zdrojem energie se stejnosměrným napětím je první dílčí vinutí motoru spojeno s druhým usměr novace, zatím co druhé dílčí vinutí motoru se spojí s prvním usměrňovačem a že při provozu s druhým zdro jem energie se střídavým napětím jsou obě dílčí vi nutí, tedy první a druhé dílčí vinutí, paralelně na pojena na druhý suměrnovač.

Výhodné provedení vynálezu spočívá v tom, že při napájení energií ze stejnosměrného zdroje se dosáhne • ·

zmenšeného kmitání vyšších harmonických sítě fázovým posunutím výstupního napětí obou usměrňovačů a v dů sledku toho zmenšení, přídavných ztrát motoru jakož i kmitání točivého momentu motoru.

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. Kritické přepínací úkony jsou v této souvislosti, spínací úkony uvnitř stejnosměrného meziobvodu měniče, v

nebot spínače v něm použité musí být velmi nízkoinduktivní.

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

Při přeměně elektrické energie ze stejnosměrných zdrojů jen jedna jediná přeměna energie.

Přehled obrázků na výkrese.

Vynález bude v dalším textu blíže vysvětlen na příkladu provedení, znázorněného na výkrese.

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.

Na obr. 2 je znázorněno vícesystémové zapojení pro • ·

• · · · pohon při provozu se střídavou napájecí sítí.

V obrázcích ,j sou vždy stejné díly opatřeny stejnými vztahovými značkami a jsou znázorněny jen prvky,podstatné pro porozumění vynálezu.

Příklady_grovedení_yynálezu_±

Na obr. 1 je znázorněn zdroj 1 energie, tvořený stejnosměrnou sítí se stejnosměrným napětím U1 o velikosti 3 kV, která prostřednictvím sběračě proudu měniče 2.

První měnič sestává ze čtyř dílčích měničů,za pojených paralelně jejich stejnosměrnou stranou. Oba horní dílčí měniče jsou prostřednictvím prvního spí nače SI spojitelné s prvním sekundárním vinutím SW1 sítového transformátoru T, který je primární stranou zapojen na střídavou sít 12 s napětím 15 kV, s frekvencí 16 2/3 Hz. Oba dolní dílčí měniče prvního měniče 2 jsou spojitelné prostřednictvím druhého spí nace 12 s druhým sekundárním vinutím SW2 sítového transformátoru T. Horní dílčí měnič 2_tl prvního měniče 2 proudu se při brzdicím provozu spotřebiče na střídavý proud, případně motoru, případně elektrického stroje 11, 11^ ve spojení se spínačem Sil a brzdovým odporem R1 jako stavěč brzdové energie případně omezovač okamžitého napětí, aby se zabránilo nežádou cím přepětím. Paralelně s prvním měničem 2 je ve stejnosměrném meziobvodu ZK zapojen meziobvodový kon denzátor Cl.

První usměrňovač 2 je prostřednictvím stejnosměrného meziobvodu ZK spojen se střídačem případně dru hym usměrňovačem 8 v sérii, přičem kladný pol 3 prvního usměrňovače 2 je zapojen na stejnosměrnou sít Ul, záporný pól 4 prvního usměrňovače 2 je spojen prostřednictvím pátého spínače S5 s kladným pólem 5 druhého usměrňovače 8 a záporný pol 6 druhého usměrňovače 8 je spojen prostřednictvím filtrační tlumivky L,devá tého spínače S9 a nejméně jedné osy 9 vozidla s kolejnicí 12, 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 přepě tím atato případně odbourala prostřednictvím brzdového odporu R2.

Elektrické stroje 11, 11' mají každý třífázová motorová případně statorová vinutí, která jsou rozdělena, která jsou rozdělena do dvou symetrických třífázo vých systémů vinutí, t.j. do prvního a druhého dílčího vinutí M’^1 , MW2 vždy se stejným počtem vinutí.Obě díl čí vinutí MW1, MW2 jsou zapojena od sebe oddělena prostřednictvím do hvězdy a navzájem sedmého spínače S7·

Konce druhých dílčích vinutí MW2, spojené se sedmým spínačem S7, jsou prostřednictvím střídavých třífázových vedeních R osmého spínače S8 a

S 11 se střídavými výstupy tří dolních dílčích usměrňovačů prvního usměrňovače 2. Konce prvních dílčích usměrňovačů MW1, spojené se sedmým spínačem _S7, jsou prostřednictvím střídavých třífázových vedeních R, S, T napojeny na •ν' střídavé výstupy druhého usměrňovače 8.

Znázorněné spínací polohy prvního usměrňovače 2 a druhého usměrňovače 8, zapojené stejnosměrnou stranou v sérii, odpovídají napájení do hvězdy zapojených elektrických strojů 11, 11_^ ze stejnosměrné sítě 1 o napětí 3 kV. Pokud zdroj 1 energie, tvořený stejnosměrnou síti, 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 vy hlazení napětí ve stejnosměrném meziobvodu ZK.^tej nému účelu, t.j. pro vyhlazení napětí slouží kondenszátor C3, který je prostřednictvím přepínače U6 ro vněž paralelně zapojen k meziobvodovým kondenzát ořům Cl a C2.

Obr. 2 ukazuje schéma zapojení při provozu se zdrojem 12 energie tvořeným střídavou sítí. Přep nutí stejnosměrné sítě 1 na střídavou sít 12 se provádí v bezproudém stavu, přičemž spínače SJ,S2, S3, S4, S7 a S10 se uzavřou a spínače S5, S8, S9 a Sil se otevřou. Přepínač S6 je přepnut tak, že kondenzátor C3 a cívka L se zapojí do série. Sběrač proudu j e přitažen na stejnosměrné síti 1. Dílčí vinutí _MW1, MW2 elektrických strojů 11, 11J jsou přitom zapojena paralelně. První usměrňovač 2_r provo zovaný při provozu se stejnosměrným napětím jako usměrňovač spotřebiče, případně jako střídač se nyní provozuje jako usměrňovač sítě. Filtrační tlumivka L působí nyní společně v sérii zapojeným kondenzát ořem C3 jako vyhlazovací obvod, případně vyrovnávací obvod pulzujícího sítového výkonu, Vyhlazovací obvod je dimenzován na dvojnásobek sítové frekvence a je po třebný jen při jednofázové střídavě síti.

• ·

Při napájení elektrických strojů 11, 11/ ze střídavé sítě může se při normálním provozu vrátit brz dová energie zpět do střídavé sítě, přičemž se druhý usměrňovač 8 provozuje jako usměrňovač a první us měrňovač 2 jako střídač.

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

Jako řiditelné ventily se použijí v usměrňovačích 2, 8 a 7 polovodičové spínače. V souladu se stavem techniky mohou se použít např. GTO-tyristory nebo tranzistory.

Podstatné přitom je, že motorová vinutí MW1,MW2 mohou být provozována jak se střídavou sítí, tak také se stejnosměrnou sítí v paralelním zapojení. Počet vedeních motoru může se tak omezit na šest, to znamená, pro každé motorové vinutí Wl, W2 vždy tři vedení pro napájení střídavým proudem. Jsou ušetřeny spínač střídavého proudu a tři přídavná vedení motoru pro možné sériové spojení dílčích vinutí MW1, MW2, ne bod neexistuje žádný podstatný rozdíl mezi provozem se stejnosměrnou sítí a provozem se střídavou síti pro dílčí vinutí MW1, MW2.

Při provozu se střídavým napětím je napětí meziobvodu 2 kV. Z toho vyplývá, že motory 11, 11/ se musí dimenzovat na určité maximální svorkové napětí, při základní frekvenci. Při tomto stabilizovaném mezi obvodovém napětí 2 kV při provozu se střídavým napětím mohou se dosáhnout úspory v důsle dSSmtítrukčních prvků této napětové třídy s ohledem na jejich stavební výšku, hnotnost a nákladavou náročnost.

Při provozu se stejnosměrným napětím je meziobvodové napětí pro usměrňovače 2 a 8, zapojené v sérii, přibližně 1,5 kV, až maximálně 2,1 kV. Tím je pro motorová vinutí zajištěno, že indukčnost vzduchové mezery v každém motoru 11, 11_^ při provozu se stejnosměrným nebo střídavým napětím je přibližně stejná.

Dva systémy vinutí v motoru ll_x 11* mohou se navzájem přesadit o 30° a býti provedeny jako 2p-pólová vinutí, přičemž p= pólpárů. V důsledku posunutého uspořádání dvou třívodičových vinutí MW1, W2, se podstatně sníží kolísání točivého momentu motoru.

Každé dílčí vinutí MW1, MW2 elektrického stroje 11, 11^ může se samozřejmě provozovat místo^vzapojení do hvězdy,také v zapojení-do trojúhelníka.

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

Motorová vinutí 11, 11_^ mohou se také přiroze ně rozdělit ve více, nežli do dvou systémů vinutí MW1, MW2_X V souladu s tím musí se potom použít více než dva usměrňovače pro pohon. Tím je možné rozšířit vícesystémová vinutí i pro sítě menších stejnosměrných napě tí.

Mali se vícesystémový systém rozšířit na další sítě střídavých napětí, např. 25 kV, pak je třeba volit sítové transformátory s jinými převodovými poměry. Použití u 1,5 kV stejnosměrné sítě je rovněž možné.

Místo jednoho elektrického stroje 11, 11_ mohl by být uspořádán neznázorněný transformátor, který je například napojen na jinou střídavou sít a slouží jako spotřebič na střídavý proud přenosu energie.

Claims

1. Způsob přeměny elektrické energie, u kterého se elektrická energie z nejméně jednoho prvního zdroje energie s předem zadavatelným stejnosměrným napětím a z jednoho druhého zdroje energie s předem zadava telným střídavým napětím prostřednictvím nejméně jednoho sítového usměrňovače, případně prvního usměrňovače a nejméně jednoho suměrňovače spotřebiče, případně druhého usměrňovače, přeměňuje v elektrickou energii pro elektrické zařízení nebo spotřebič na střídavý proud, který má vždy v každé fázi 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, vyznačující se tím, že před přepnutím od druhého zdroje (12) energie s předem zadavatelným střídavým napětím (U2) na první zdroj (1) energie s předem zadavatelným stejnosměrným napětím (Ul), se dílčí vinutí (MW1, MW2),připojená paralelně na usměrňovač (8), navzájem 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),takže roz dílná dílčí vinutí (MW1, MW2) se napájejí z různých usměrňovačů (2, 8), a že před přepnutím od prvního zdroje (1) energie s předem zadavatelným stejno směrným napětím (^1) na druhý zdroj (12) energie s předem zadavatelným střídavým napětím (U2) se oddělená dílčí vinutí (MW1, MW2) spotřebiče (11, 11 ) na střídavý proud v každé fázi (R, S. T) střídavého proudu elektricky paralelně napojí na usměrňovač (8), přičemž druhé dílčí vinutí (MW2) se oddělí od prvního usměrňovače (2) a že první usměrňovač (2) se pře pne z provozu jako usměrňovač spotřebiče na provoz sítového usměrňovače.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že při napájení energii ze zdroje (1) stejnosměrného napětí se různá dílčí vinutí (MW1, MW2) pro zmenšení zpětného působení sítě provozují se vzájemný fázovým posunutím výstupního napětí rozdílných usměrňovačů (2, 8).

3. Zapojení pro přeměnu energie způsobem podle podle nároků 1 až 2, u kterého první suměrňovač a druhý usměrňovač jsou spojeny s prvním zdrojem enep gie se stejnosměrným napětím, nebo s druhým zdrojem energie se střídavým napětím, přičemž druhý usměrňo vač je na straně střídavého proudu spojen s elektrickým zařízením nebo nejméně s jedním spotřebičem na střídavý proud a spotřebič na střídavý proud má vždy v každé fázi nejméně jedno prvň4y^4ňůtí a nejméně jedno druhé dílčí vinutí, vyznačující se tím, že při napájení prvního usměrňovače (2) a druhého usměr'Vnovače (8) z prvního zdroje (1) energie se stejno směrným napětím (Ul) je první dílčí vinutí (MW1) spojeno s druhým usměrňovačem (8) a druhé dílčí vinutí (MW2) s prvním usměrňovačem (2), přičemž usměrňovače (2, 8) jsou provozovány jako střídače,a že dílčí vinutí (WM1, WM2) jsou,při napájení prvního usměrňovače (2) z druhého zdroje (12) energie se střídavým napětím (U2), paralelně připojena na dru· hý usměrňovač (8), přičemž první usměrňovač (2) je provozován jako usměrňovač, a druhý usměrňovač (8) jako střidač.