PL182776B1

PL182776B1 - Sposób i układ zasilania energią maszyny elektrycznej z sieci napięcia stałego i sieci napięcia przemiennego

Info

Publication number: PL182776B1
Application number: PL97323147A
Authority: PL
Inventors: Karl-Hermann Ketteler
Original assignee: Daimlerchrysler Rail Systems
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2002-02-28
Also published as: DE19609550A1; ATE277788T1; CZ290973B6; DE59711970D1; EP0833758B1; CZ343197A3; PL323147A1; EP0833758A1; ZA972081B; ES2229334T3; RU2177883C2; WO1997033766A1; UA46028C2

Abstract

1 Sposób zasilania energia elektryczna maszyny elektrycznej z sieci na- piecia stalego i sieci napiecia przemiennego, w którym energie elektryczna z co najmniej jednego, pierwszego zródla energii o napieciu stalym i jednego, drugiego zródla energii o napieciu przemiennym, poprzez co najmniej jeden, pierwszy zespól przeksztaltnikowy pradu sieci i co najmniej jeden, drugi ze- spól przeksztaltnikowy pradu obciazenia, przesyla sie do maszyny elektrycz- nej pradu przemiennego, która w kazdej fazie ma co najmniej jedno pierwsze uzwojenie czesciowe i jedno drugie uzwojenie czesciowe, przy czym te uz- wojenia czesciowe stanowia oddzielone od siebie nawzajem uzwojenia pradowe, znamienny tym, ze przed przelaczeniem zasilania z drugiego zródla (12) energii o napieciu przemiennym (U2) na pierwsze zródla (1) ener- gii o napieciu stalym (U1), rozdziela sie pracujace równolegle na drugi zespól przeksztaltnikowy (8) uzwojenia czesciowe (MW1, MW2) maszyny elektry- cznej (11,11'), przy czym drugie uzwojenie czesciowe (MW2) laczy sie z pie- rwszym zespolem przeksztaltnikowym (2) a pierwsze uzwojenie czesciowe (MW1) pozostaje polaczone z drugim zespolem przeksztaltnikowym (8), tak ze rozne uzwojenia czesciowe (M W 1, MW2) zasilane sa w róznych ze- spolów przeksztaltnikowych (2,8), zas przed przelaczeniem zasilania z pier- wszego zródla (1) energii o napieciu stalym (U1) na drugie zródlo (12) energii o napieciu przemiennym (U2) kazde z rozdzielonych uzwojen czesciowych (MW1, MW2) maszyny elektrycznej (11,11') wlacza sie w kazdej fazie (R,S, T) pradu przemiennego równolegle do drugiego zespolu przeksztaltnikowego (8), przy czym drugie uzwojenie czesciowe (MW2) odlacza sie od pierwsze- go zespolu przeksztaltnikowego (2), który zostaje przelaczony z pracy w cha- rakterze zespolu przeksztaltnikowego pradu obciazenia na prace w charakterze zespolu przeksztaltnikowego pradu sieci 3 Uklad zasilania energia elektryczna maszyny elektrycznej z sieci na- piecia przemiennego, w którym pierwszy zespól przeksztaltnikowy i drugi ze- spól przeksztaltnikowy dolaczone sa do pierwszego zródla energii o napieciu stalym lub drugiego zródla energii o napieciu przemiennym, przy czym dragi uklad przeksztaltnikowy dolaczony jest od strony pradu przemiennego do co najmniej jednej maszyny elektrycznej pradu przemiennego, FI G 1 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ zasilania energią elektryczną maszyny elektrycznej z sieci napięcia stałego i sieci napięcia przemiennego.

Znany jest z niemieckiego opisu patentowego nr 41 38 256 dwusystemowy napęd pojazdu kolejowego dostosowany do napięcia sieci prądu przemiennego 15 kV 16 2/3 Hz i sieci prądu

182 776 stałego 3 kV. Elektryczne maszyny napędowe zasilane są z pośredniego obwodu prądu stałego za pośrednictwem jednego lub dwóch falowników. W przypadku sieci prądu przemiennego pośredni obwód prądu stałego zasilany jest przez dwa włączone równolegle regulatory czterokwadrantowe, zaś w przypadku sieci prądu stałego za pośrednictwem dwóch połączonych szeregowo regulatorów prądu stałego.

Istotą sposobu zasilania energiąelektrycznąmaszyny elektrycznej z sieci napięcia stałego i sieci napięcia stałego i sieci napięcia przemiennego, według wynalazku, w którym energią elektryczną z co najmniej jednego, pierwszego źródła energii o napięciu stałym i jednego, drugiego źródła energii o napięciu przemiennym, poprzez co najmniej jeden, pierwszy zespół przekształtnikowy prądu sieci i co najmniej jeden, drugi zespół przekształtnikowy prądu obciążenia, przesyła się do maszyny elektrycznej prądu przemiennego, która w każdej fazie ma co najmniej jedno pierwsze uzwojenie częściowe i jedno drugie uzwojenie częściowe, przy czym te uzwojenia częściowe stanowią oddzielone od siebie nawzajem uzwojenia prądowe, jest to, że przed przełączeniem zasilania z drugiego źródła energii o napięciu przemiennym na pierwsze źródło energii o napięciu stałym, rozdziela się pracujące równolegle na drugi zespół przekształtnikowy uzwojenia częściowe maszyny elektrycznej, przy czym drugie uzwojenie częściowe łączy się z pierwszym zespołem przekształtnikowym a pierwsze uzwojenie częściowe pozostaje połączone z drugim zespołem przekształtnikowym, tak że różne uzwojenia częściowe zasilane są z różnych zespołów przekształtnikowych, zaś przed przełączeniem zasilania z pierwszego źródła energii o napięciu stałym na drugie źródło energii o napięciu przemiennym każde z rozdzielonych uzwojeń częściowych maszyny elektrycznej włącza się w każdej fazie prądu przemiennego równolegle do drugiego zespołu przekształtnikowego, przy czym drugie uzwojenie częściowe odłącza się od pierwszego zespołu przekształtnikowego, który zostaje przełączony z pracy w charakterze zespołu przekształnikowego prądu obciążenia na pracę w charakterze zespołu przekształtnikowego prądu sieci.

Korzystnie przy żasilaniu ze źródła eneigii o napięciu stałym redukuje się wsteczne oddziaływania sieciowe wykorzystując różne uzwojenia częściowe maszyny elektrycznej i stosując przeciwne przesunięcia fazowe napięć wyjściowych różnych zespołów przekształtnikowych.

Istotą układu zasilania energią elektryczną maszyny elektrycznej, według wynalazku, w którym pierwszy zespół przekształtnikowy i drugi zespół przekształtnikowy dołączone są do pierwszego źródła energii o napięciu stałym lub drugiego źródła energii o napięciu przemiennym, przy czym drugi układ przekształtnikowy dołączony jest od strony prądu przemiennego do co najmniej jednej maszyny elektrycznej prądu przemiennego, która ma w każdej fazie co najmniej jedno pierwsze uzwojenie częściowe i jedno drugie uzwojenie częściowe, jest to, że przy dołączeniu pierwszego zespołu przekształtnikowego i drugiego zespołu przekształtnikowego do pierwszego źródła energii o napięciu stałym, pierwsze uzwojenie częściowe połączone z drugim układem przekształtnikowym, a drugie uzwojenie częściowe połączone jest z pierwszym układem przekształtnikowym, zaś przy dołączeniu pierwszego zespołu przekształtnikowego do drugiego źródła energii o napięciu przemiennym uzwojenia częściowe dołączone są równolegle do pierwszego zespołu przekształtnikowego.

Zaletą rozwiązania według wynalazku, w którym przy pracy z pierwszym źródłem energii o napięciu stałym pierwsze uzwojenie częściowe maszyny elektrycznej połączone jest z drugim zespołem przekształtnikowym, zaś przy pracy z drugim źródłem energii o napięciu przemiennym równolegle z drugim zespołem przekształtnikowym połączone są obydwa pierwsze i drugie uzwojenia częściowe maszyny elektrycznej, jest to, że realizuje się je za pomocą niewielkich nakładów technicznych. W ten sposób zmniejsza się liczbę stosowanych kabli i przełączników trójfazowych. Zmniejsza się stopień komplikacji układowej przy przełączaniu między źródłami o różnych rodzajach napięcia, jak również masa zainstalowanych kabli.

Ponadto przełączanie wymaga niewielu czynności krytycznych, przy czym krytyczne czynności komutacyjne są to te czynności, które odbywają się wewnątrz obwodu pośredniego napięcia stałego zespołu przekształtnikowego, ponieważ pracujące w nim łączniki wymagają montażu przy zachowaniu bardzo małych wartości indukcyjności.

182 776

Przedmiot wynalazkujest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy układu zasilania energią elektryczną maszyny elektrycznej przy pracy z sieci napięcia stałego, zaś fig. 2 przedstawia schemat tego układu przy pracy z sieci prądu przemiennego.

Przedstawione na figurze 1 źródło energii o napięciu stałym Ul wynoszącym 3 kV zasila za pośrednictwem zbieracza prądu obwód pośredni ZK napięcia stałego przekształtnika częstotliwości 2, ZK, 8.

Pierwszy zespół przekształtnikowy 2 składa się z czterech przekształtników, połączonych równolegle po stronie napięcia stałego. Obydwa górne zespoły przekształtnikowe za pomocąpierwszego łącznika SI można dołączać do pierwszego uzwojenia wtórnego SW1 transformatora sieciowego T, który stronąpierwotnądołączonyjest do źródła 12 energii o napięciu przemiennym U2 (15 kV, 16 2/3 Hz). Obydwa dolne przekształtniki pierwszego zespołu przekształtnikowego 2 można dołączać za pomocą drugiego łącznika S2 do drugiego uzwojenia wtórnego SW2 transformatora T Przekształtnik górny oznaczony odnośnikiem 2.1 pierwszego zespołu przekształtnikowego 2 w przypadku pracy z hamowaniem odbiornika prądu przemiennego, silnika lub ogólnie maszyny elektrycznej 11,11', w połączeniu z łącznikiem Sili rezystorem hamulcowym R1 służy w charakterze regulatora energii hamowania, bądź ogranicznika napięcia chwilowego, zapobiegającego ewentualnym niepożądanym przepięciom. Równolegle do pierwszego zespołu przekształtnikowego 2 dołączony jest pierwszy kondensator Cl obwodu pośredniego, znajdujący się w obwodzie pośrednim ZK napięcia stałego.

Pierwszy zespół przekształtnikowy 2 za pośrednictwem obwodu pośredniego ZK napięcia stałego połączony jest szeregowo z drugim zespołem przekształtnikowym 8, przy czym biegun dodatni 3 pierwszego zespołu przekształtnikowego 2 dołączonyjest do sieci napięcia stałego U1, biegun ujemny 4 pierwszego zespołu przekształtnikowego 2 za pośrednictwem piątego łącznika S5 połączonyjest z dodatnim biegunem 5 drugiego zespołu przekształtnikowego 8, a biegun ujemny 6 drugiego zespołu przekształtnikowego 8 połączony jest przez dławnik filtracyjny L, dziewiąty łącznik S9 i co najmniej jedną oś 9 pojazdu z szyną 10 i jest uziemiony. Równolegle do drugiego zespołu przekształtnikowego 8, w obwodzie pośrednim ZK napięcia stałego, włączony jest drugi kondensator C2 obwodu pośredniego ZK z łącznikiem i rezystorem hamulcowym R2, bądź ogranicznikiem 7 napięcia chwilowego, zapobiegający ewentualnym niepożądanym przepięciom i zmniejszeniem ich za pomocą rezystora hamulcowego R2.

Każda z maszyn elektrycznych 11, 1Γ zaopatrzona jest w jedno trójgałęziowe uzwojenie silnika, bądź stojana, które podzielonejest na dwa symetryczne układy uzwojeń trójgałęziowych, czyli pierwsze i drugie uzwojenia częściowe MW1, MW2, o jednakowej liczbie zwojów. Obydwa uzwojenia częściowe MW1, MW2 włączone sąw układzie gwiazdowym i rozłączane wzajemnie przez siódmy łącznik S7. Połączone z tym siódmym łącznikiem S7 końce drugich uzwojeń częściowych MW2 przez ósmy łącznik S8 i przewody trójfazowe R', S', T połączone są z wyjściami prądu przemiennego trzech dolnych przekształtników pierwszego zespołu przekształtnikowego 2. Połączone z siódmym łącznikiem S7 końce pierwszych uzwojeń częściowych MW1 za pośrednictwem przewodów trójfazowych R, S, T dołączone są do wyjść prądu drugiego zespołu przekształtnikowego 8.

Przedstawione położenia komutacyjne łącznikiem, z połączonymi szeregowo po stronie napięcia stałego pierwszym 2 i drugim 8 zespołem przekształtnikowym, odpowiadają zasilaniu połączonych w gwiazdę maszyn elektrycznych 11, ll'z sieci napięcia stałego Ul (3 kV). Jeżeli sieć napięcia stałego Ul nie jest w stanie przejść zwracanej energii hamowania, to ta energia wymaga zamiany na ciepło w rezystorach hamulcowych R1, R2. W tym układzie kondensatory C1 i C2 w połączeniu równoległym służą w charakterze kondensatorów podtrzymujących, do wygładzania napięcia obwodu pośredniego ZK napięcia stałego. Do tego samego służy również trzeci kondensator C3, który za pośrednictwem łącznika S6 dołączony jest równolegle do pierwszego i drugiego kondesatorów Cl i C2.

Na figurze 2 przedstawiono schemat układu przy pracy z sieci napięcia przemiennego U2. Przełączenie z sieci napięcia stałego Ul na sieć napięcia przemiennego U2 odbywa się w stanie

182 776 bezprądowym, przy czym łączniki SI, S2, S3, S4, S7 i SIO zostajązwarte, a łączniki S5, S8, S9 i Sil rozwarte. Przełącznik S6 przedstawiany jest w ten sposób, że trzeci kondensator C3 i dławnik filtracyjny L zostają połączone w szereg. Odbierak prądu z sieci napięcia stałego Ul jest przy tym ściągnięty. Uzwojenia częściowe MW1, MW2 maszyn elektrycznych 11, 11' są włączone równolegle. Wykorzystywany przy pracy z sieci napięcia stałego Ul w charakterze przekształtnika prądu obciążenia, czyli jako falownik, pierwszy zespół przekształtnikowy 2 wykorzystywany jest terazjako przekształtnik prądu sieci, czyli prostownik. Dławnik filtracyjny L współdziała teraz z włączonym z nim szeregowo trzecim kondensatorem C3 jako tak zwany obwód ssący do kompensacji pulsowania mocy sieci. Korzystne jest, jeżeli obwód ssący obliczony jest na podwójną częstotliwość sieci, przy czym potrzebnyjest tylko w przypadkujednofazowej sieci napięcia przemiennego.

Przy zasilaniu maszyn elektrycznych 11,11' z sieci napięcia przemiennego można z reguły odzyskaną energię hamowania przekazać zwrotnie do tej sieci, przy czym drugi zespół przekształtnikowy 8 można wykorzystywać jako prostownik, a pierwszy zespół przekształtnikowy 2 jako falownik.

Wszystkie zainstalowane łączniki mogą być uruchamiane ręcznie, silnikowo, pneumatycznie lub hydraulicznie, przy czym jako sterowane łączniki w zespołach przekształtnikowych 2 i 8 oraz w ograniczniku 7 stosuje się łączniki półprzewodnikowe, na przykład tyrystory wyłączalne lub tranzystory.

Ważne jest to, że uzwojenia częściowe MW1, MW2 wykorzystywane są zarówno przy pracy z sieci napięcia przemiennego U2 jak i sieci napięcia stałego Ul. Liczbę doprowadzeń do maszyny elektrycznej 11,11' można wtedy ograniczyć do sześciu, to znaczy, po trzy przewody dla każdego uzwojenia, dla zasilania prądem trójfazowym. Oszczędza się przy tym zastosowania przełącznika prądu trójfazowego i trzech dodatkowych przewodów dla ewentualnego połączenia szeregowego uzwojeń częściowych MW1, MW2, ponieważ w przypadku uzwojeń częściowych MW1, MW2 do pominięcia są nie znaczące różnice napięć między pracą z sieci napięcia przemiennego U2 i pracą z sieci napięcia stałego Ul.

Przy pracy z napięciem przemiennym napięcie obwodu pośredniego ZK wynosi 2 kV. Stąd wynika określone maksymalne zaciskowe napięcie drgania podstawowego, na które musi być obliczona maszyna elektryczna 11,11'. Przy tym stabilizowanym napięciu obwodu pośredniego ZK wynoszącym 2 kV w warunkach pracy z napięciem przemiennym można osiągnąć oszczędności związane z konstrukcją układu według wynalazku. W warunkach pracy z napięciem stałym napięcie obwodu pośredniego ZK dla połączonych szeregowo zespołów przekształtnikowych 2 i 8 wynosi po około 1,5 kV do 2,1 kV. W ten sposób w odniesieniu do uzwojeń maszyny elektrycznej 11,11' gwarantuje się, że indukcja pola podstawowego w szczelinie powietrznej w takiej maszynie przy pracy z napięciem stałym i przemienny jest prawie jednakowa.

Dwa układy uzwojeń częściowych MW1, MW2 w maszynie elektrycznej mogą być przesunięte o 20°/p, jeżeli wykonane sąjako uzwojenia 2p-biegunowe, gdzie p=liczba par biegunów. Przez rozmieszczenie z przesunięciem dwóch dwugałęziowych uzwojeń częściowych MW1, MW2 znacznie redukują się momenty wahadłowe maszyny.

Każde z uzwojeń częściowych MW1, MW2 maszyny elektrycznej 11,11' można oczywiście zamiast w połączeniu gwiazdowym, instalować i eksploatować w połączeniu w trójkąt. Uzwojenia maszyny elektrycznej 11, 11' mogą być podzielone na więcej, niż dwa uzwojenia częściowe MW1, MW2. Odpowiednio do tego w takim przypadku konieczne jest stosowanie więcej, niż dwóch zespołów przekształtnikowych. Wtedy rozwiązanie według wynalazku można zastosować w szerszym zakresie sieciowych napięć przemiennych, na przykład 25 kV, dobrać transformatory sieciowe z innymi proporcjami przekładni oraz wykorzystać sieci napięcia stałego 1,5 kV. Ponadto zamiast maszyny elektrycznej 11, 11'można przewidzieć stosowanie transformatora, który na przykład włączony jest na inne sieciowe napięcie przemienne i stanowi odbiornik prądu przemiennego.

182 776

182 776 ο

o >

	.. .1...
	\ π		\π

CM

O

FIG. 2

182 776 kV DC

FIG. I

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zasilania energią elektryczną maszyny elektrycznej z sieci napięcia stałego i sieci napięcia przemiennego, w którym energię elektryczną z co najmniej jednego, pierwszego źródła energii o napięciu stałym i jednego, drugiego źródła energii o napięciu przemiennym, poprzez co najmniej jeden, pierwszy zespół przekształtnikowy prądu sieci i co najmniej jeden, drugi zespół przekształtnikowy prądu obciążenia, przesyła się do maszyny elektrycznej prądu przemiennego, która w każdej fazie ma co najmniej jedno pierwsze uzwojenie częściowe i jedno drugie uzwojenie częściowe, przy czym te uzwojenia częściowe stanowią oddzielone od siebie nawzajem uzwojenia prądowe, znamienny tym, że przed przełączeniem zasilania z drugiego źródła (12) energii o napięciu przemiennym (U2) napierwsze źródła (1) energii o napięciu stałym (Ul), rozdziela się pracujące równolegle na drugi zespół przekształtnikowy (8) uzwojenia częściowe (MW1, MW2) maszyny elektrycznej (11,11*), przy czym drugie uzwojenie częściowe (MW2) łączy się z pierwszym zespołem przekształtnikowym (2) a pierwsze uzwojenie częściowe (MW1) pozostaje połączone z drugim zespołem przekształtnikowym (8), tak że różne uzwojenia częściowe (MW1, MW2) zasilane są w różnych zespołów przekształtnikowych (2,8), zaś przed przełączeniem zasilania z pierwszego źródła (1) energii o napięciu stałym (Ul) na drugie źródło (12) energii o napięciu przemiennym (U2) każde z rozdzielonych uzwojeń częściowych (MW1, MW2) maszyny elektrycznej (11,11*) włącza się w każdej fazie (R, §, T) prądu przemiennego równolegle do drugiego zespołu przekształtnikowego (8), przy czym drugie uzwojenie częściowe (MW2) odłącza się od pierwszego zespołu przekształtnikowego (2), który zostaje przełączony z pracy w charakterze zespołu przekształtnikowego prądu obciążenia na pracę w charakterze zespołu przekształtnikowego prądu sieci.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przy zasilaniu ze źródła (1) energii o napięciu stałym (Ul) redukuje się wsteczne oddziaływania sieciowe wykorzystując różne uzwojenia (MW1, MW2) maszyny elektrycznej (U, 11*) i stosując przeciwne przesunięcia fazowe napięć wyjściowych różnych zespołów przekształtnikowych (2,8).
3. Układ zasilania energią elektryczną maszyny elektrycznej z sieci napięcia przemiennego, w którym pierwszy zespół przekształtnikowy i drugi zespół przekształtnikowy dołączone są do pierwszego źródła energii o napięciu stałym lub drugiego źródła energii o napięciu przemiennym, przy czym drugi układ przekształtnikowy dołączony jest od strony prądu przemiennego do co najmniej jednej maszyny elektrycznej prądu przemiennego, która ma w każdej fazie co najmniej jedno pierwsze uzwojenie częściowe i jedno drugie uzwojenie częściowe, znamienny tym, że przy dołączeniu pierwszego zespołu przekształtnikowego (2) i drugiego zespołu przekształtnikowego (8) do pierwszego źródła (1) energii o napięciu stałym (Ul), pierwsze uzwojenie częściowe (MW1) połączone jest z drugim układem przekształtnikowym (8), a drugie uzwojenie częściowe (MW2) połączone jest z pierwszym układem przekształtnikowym (2), zaś przy dołączeniu pierwszego zespołu przekształtnikowego (2) do drugiego źródła (12) energii o napięciu przemiennym (U2) uzwojenia częściowe (MW1, MW2) dołączone są równolegle do pierwszego zespołu przekształtnikowego (2).

* * *