PL226553B1 - Układ zasilania lokomotywy wielosystemowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ zasilania lokomotywy wielosystemowej. Znajduje on zastosowanie do zasilania energią elektryczną silników lokomotyw wykonujących połączenia transgraniczne, zwłaszcza wykonujących przejazdy w krajach, gdzie występują rożne rodzaje napięć na sieci kolejowej.

Znany jest z publikacji U. Drofenik, F. Canales: „European Trends and Technologies in Traction, IEE International Power Electronics Conference IPEC 2014, ss. 1043-1049 układ zasilania lokomotywy wielosystemowej składający się z odbieraka prądu napięcia stałego 1,5 kV lub 3 kV połączonego za pośrednictwem wyłącznika prądu stałego z przełącznikiem wyboru systemu napięcia, którego jeden z biegunów za pośrednictwem koła jezdnego jest połączony z siecią powrotną oraz jednofazowego transformatora przeznaczonego do zasilania z sieci trakcyjnej 15 kV/16,7 Hz lub 25 kV/50 Hz. Transformator jednofazowy ma uzwojenie strony pierwotnej połączone jednym końcem za pośrednictwem wyłącznika prądu przemiennego z odbierakiem prądu napięcia przemiennego 15 kV lub 25 kV a drugim końcem połączone z siecią powrotną za pośrednictwem koła jezdnego. Transformator jednofazowy ma dwa uzwojenie wtórne, których zaciski połączone są z przełącznikiem wyboru systemu napięcia. Układ ponadto składa się z pośredniego przekształtnika napięcia zawierającego dwa prostowniki połączone po stronie pierwotnej, za pośrednictwem styczników, z przełącznikiem wyboru systemu napięcia, a po stronie wtórnej z baterią kondensatorów obwodu pośredniczącego. Obwód pośredniczący pośredniego przekształtnika napięcia jest ponadto oddzielnymi przewodami połączony z przełącznikiem wyboru systemu napięcia umożliwiając bezpośrednio zasilanie napięciem stałym

1,5 kV lub 3 kV. Do obwodu pośredniczącego dołączony jest falownik napędowy zasilający silnik trójfazowy prądu przemiennego. Dzięki znanemu z publikacji rozwiązaniu elektryczna lokomotywa wielosystemowa może przejeżdżać pomiędzy różnymi systemami zasilania bez konieczności zatrzymania pociągu.

Niedogodnością powyższego rozwiązania jest to, że izolacja galwaniczna układu od sieci trakcyjnej jest realizowana za pomocą transformatora pracującego z niską częstotliwością 50 Hz lub 16,7 Hz. Pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i uzwojeniami wtórnymi transformatora trakcyjnego pracującego z częstotliwością 50 Hz bądź 16,7 Hz występują niekorzystnie duże pojemności pasożytnicze, które wchodzą w interakcję z napięciami o kształcie prostokątnym generowanymi w przekształtnikach energoelektronicznych i są przyczyną przepływu prądów pasożytniczych, nazywanych prądami zaburzeń wspólnych, pomiędzy układem a siecią trakcyjną. Prądy zaburzeń wspólnych przepływają wielokilometrowe odcinki między podstacją trakcyjną i falownikiem napędowym lokomotywy. Znajdujący się w układzie transformator, ze względu na niską częstotliwość pracy 16,7 Hz charakteryzuje się niekorzystnie dużymi rozmiarami a także relatywnie niską sprawnością rzędu 90%. Możliwości zmniejszenia jego gabarytu i uzyskania kompaktowej budowy wymaganej przy instalacji w pudle lokomotywy są ograniczone. Niedogodnością układu jest również możliwość niekorzystnego nasycenia rdzenia transformatora przy dopuszczalnym wzroście wartości napięcia w sieci trakcyjnej.

Znany jest z publikacji EP 2 568 589 A1 Multilevel converter comprising an active AC-DC converter and a resonant DC-DC converter and a control method for operating a multilevel converter oraz z publikacji C. Zhao, Dujic D., Mester A., Steinke J.K., i inni: „Power Electronic Traction Transformer-Medium Voltage Prototype”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 61, nr 1, ss. 3257-3268 układ jednofazowego izolowanego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia, który w każdej fazie składa się z szeregowo połączonych celek o liczbie odpowiadającej liczbie poziomów przekształtnika. Układ ma zastosowanie do zasilania napędów silników prądu przemiennego w lokomotywach dwusystemowych do pracy w systemach zasilania 25 kV/50 Hz oraz 15 kV/16,7 Hz.

Układ posiada izolację galwaniczną napędu od sieci trakcyjnej prądu przemiennego realizowaną za pomocą transformatorów wysokiej częstotliwości zasilanych z pośrednich przekształtników napięcia znajdujących się w poszczególnych celkach. Uzwojenia transformatorów wysokiej częstotliwości w każdej celce zwymiarowane są na napięcie znamionowe o ułamkowej wartości napięcia sieci trakcyjnej prądu przemiennego, do której przyłączony jest układ ale muszą charakteryzować się wytrzymałością izolacji pomiędzy stroną pierwotną a wtórną odpowiadającą pełnemu napięciu sieci trakcyjnej, z której zasilana jest lokomotywa. Rozmiary stosowanych w układzie transformatorów wysokiej częstotliwości a także wymiary całego układu można korzystnie zmniejszać zwiększając częstotliwości pracy tranzystorów. W znanym z publikacji C. Zhao, Dujic D., Mester A., Steinke J.K., i inni: „Power Electronic Traction Transformer-Medium Voltage Prototype”, układzie o mocy 1,2 MW zastosowano

PL 226 553 B1 transformatory o napięciu 3,6 kV po stronie pierwotnej oraz 1,5 kV po stronie wtórnej i częstotliwości pracy 2,2 kHz. W pośrednich przekształtnikach napięcia zasilających transformatory po stronie pierwotnej zastosowano tranzystory o napięciu blokowania 6,5 kV a po stronie wtórnej 3,3 kV. Układ posiada chłodzenie wodne w obiegu wymuszonym. Każda celka przekształtnika składa się z oddzielnego transformatora wysokiej częstotliwości połączonego po stronie sieci trakcyjnej z pośrednim przekształtnikiem napięcia a po stronie silnika z półmostkowym przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie stałe. Zaciski wszystkich celek są po stronie silnika połączone zaciskami równolegle dla uzyskania wspólnego obwodu pośredniczącego napięcia stałego 1,5 kV. Z obwodem pośredniczącym połączony jest falownik napędowy zasilający trójfazowy silnik prądu przemiennego. Górny zacisk skrajnej górnej celki przekształtnika po stronie sieci trakcyjnej jest połączony za pośrednictwem dławika przeciwzakłóceniowego z odbierakiem prądu napięcia przemiennego. Dolny zacisk dolnej skrajnej celki jest połączony za pośrednictwem koła jezdnego z szyną powrotną.

Niedogodnością układu jest niekorzystnie duża liczba celek z tranzystorami IGBT 6,5 kV połączonych szeregowo dla uzyskania pełnego napięcia sieci 15 kV. Ponadto tranzystory IGBT o napięciu blokowania 6,5 kV charakteryzują się relatywnie niską częstotliwością przełączeń co powoduje niekorzystne ograniczenie możliwości optymalizacji rozmiarów transformatorów. Częstotliwość pracy tranzystorów IGBT rośnie odwrotnie proporcjonalnie do napięcia blokowania. Zastosowanie w układzie szybszych transformatorów IGBT o niższym napięciu blokowania spowodowałoby dalszy niekorzystny wzrost liczby celek izolowanego przekształtnika kaskadowego.

Układ zasilania lokomotywy wielosystemowej składający się z odbieraka prądu napięcia przemiennego, wyłącznika prądu przemiennego, przełącznika wyboru systemu napięcia, odbieraka prądu napięcia stałego połączonego z przełącznikiem wyboru systemu napięcia za pośrednictwem wyłącznika prądu stałego, filtra przeciwzakłóceniowego o dolnym zacisku strony pierwotnej połączonym za pośrednictwem koła jezdnego z siecią powrotną, izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia, który w każdej fazie składa się z szeregowo połączonych celek w liczbie odpowiadającej liczbie poziomów przekształtnika, a każda celka składa się z transformatora połączonego z pośrednim przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie przemienne po stronie odbieraków prądu i z pośrednim przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie przemienne po stronie silnika lokomotywy, przy czym częstotliwość pracy transformatora odpowiada częstotliwości przełączeń tranzystorów pośrednich przekształtników napięcia, a zaciski górnych skrajnych celek w każdej fazie wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie silnika lokomotywy są połączone wzajemnie ze sobą w punkcie neutralnym, a zaciski dolnych skrajnych celek w każdej fazie wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie silnika lokomotywy są odpowiednio połączone z zaciskami trójfazowymi silnika lokomotywy charakteryzuje się według wynalazku tym, że składa się z jednofazowego autotransformatora o dzielonym uzwojeniu wtórnym obniżającym napięcie, przy czym zacisk górny uzwojenia pierwotnego autotransformatora jest połączony z odbierakiem prądu napięcia przemiennego za pośrednictwem wyłącznika prądu przemiennego, a zacisk wspólny uzwojenia pierwotnego i dzielonego uzwojenia wtórnego jest połączony z dolnym zaciskiem strony pierwotnej filtra przeciwzakłóceniowego oraz za pośrednictwem koła jezdnego z siecią powrotną, a dwa zaciski dzielonego uzwojenia wtórnego autotransformatora są połączone z przełącznikiem wyboru systemu napięcia, który z kolei jest połączony z górnym zaciskiem strony pierwotnej filtra przeciwzakłóceniowego, a zaciski strony wtórnej filtra przeciwzakłóceniowego są połączone odpowiednio z zaciskami górnych skrajnych celek i dolnych skrajnych celek izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie odbieraka prądu przemiennego.

Dzięki konstrukcji według wynalazku lokomotywa elektryczna może przejeżdżać pomiędzy różnymi systemami zasilania bez konieczności zatrzymania pociągu. Zastosowany izolowany wielopoziomowy kaskadowy przekształtnik napięcia może po stronie sieci trakcyjnej pracować przy napięciu stałym o częstotliwości 0 Hz w sieci 3 kV lub 1,5 kV, z częstotliwością 16,7 Hz w sieci 15 kV oraz z częstotliwością 50 Hz w sieci 25 kV. Dzięki zastosowaniu autotransformatora, możliwe jest korzystne zmniejszenie liczby celek łączonych szeregowo w każdej fazie izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia, z zachowaniem korzystnych właściwości izolacji realizowanej za pomocą transformatorów wysokiej częstotliwości, w tym, zwłaszcza, korzystnie małych wartości pojemności pasożytniczych pomiędzy uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi transformatorów. Autotransformator jest korzystnie mniejszy od transformatora o takiej samej mocy znamionowej, gdyż do budowy autotransformatora używa się mniejszej ilości miedzi. Przekrój kolumny pozostaje taki

PL 226 553 B1 sam, ale mniejsza ilość miedzi mieści się w oknie o mniejszej powierzchni. Konstrukcja według wynalazku może charakteryzować się korzystną kompaktową budową i być instalowana w miejscach o ograniczonej przestrzeni. Wskutek mniejszego ciężaru użytych materiałów czynnych sprawność autotransformatora jest większa niż transformatora tej samej mocy. Mniejsze napięcie zwarcia, powoduje, że zmienność napięcia jest również korzystnie mniejsza. Przy tymczasowym wzroście napięcia sieci trakcyjnej można korzystnie uniknąć nasycenia transformatorów celek dzięki odpowiedniemu sterowaniu pośrednich przekształtników napięcia zasilających transformatory wysokiej częstotliwości.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy układu zasilania lokomotywy wielosystemowej, a fig. 2 - w sposób schematyczny przedstawia schemat ideowy pośredniego przekształtnika napięcia.

Jednofazowy autotransformator AT obniżający napięcie ze strony pierwotnej na stronę wtórną połączony jest zaciskiem strony pierwotnej Z0, za pośrednictwem wyłącznika prądu przemiennego W1 z odbierakiem prądu napięcia przemiennego OPP przystosowanego do napięć 15 kV/16,7 Hz oraz 25 kV/50 Hz. Zacisk wspólny uzwojenia pierwotnego i wtórnego Z3 jest połączony za pośrednictwem koła jezdnego K z siecią powrotną SP. Ponadto zacisk wspólny uzwojenia pierwotnego i wtórnego Z3 jest połączony z dolnym zaciskiem strony pierwotnej filtra przeciwzakłóceniowego FZ. W przypadku zasilania z sieci trakcyjnej 15 kV/16,7 Hz zaciskiem uzwojenia wtórnego autotransformatora jest zacisk Z1 a w przypadku zasilania z sieci trakcyjnej 25 kV/50 Hz zaciskiem uzwojenia wtórnego autotransformatora jest zacisk Z2. Zaciski dzielonego uzwojenia wtórnego autotransformatora Z1, Z2 są połączone z przełącznikiem wyboru systemu napięcia PRZ, którego dolny biegun jest połączony z górnym zaciskiem strony pierwotnej filtra przeciwzakłóceniowego FZ. Odbierak prądu napięcia stałego OPS jest połączony pośrednictwem wyłącznika prądu stałego W2 z przełącznikiem wyboru systemu napięcia PRZ umożliwiając zasilanie z sieci trakcyjnej prądu stałego 3 kV.

Każda celka CXi faz izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP, gdzie X symbolicznie oznacza nazwę fazy A, B lub C, a i oznacza numer celki 1, 2, ..., n (fig. 1), składa się z transformatora TXi oraz dwóch pośrednich przekształtników napięcia PXij (fig. 2), gdzie j oznacza numer 1 dla strony pierwotnej bądź numer 2 dla strony wtórnej, a zaciski strony pierwotnej transformatora TXi są połączone z zaciskami ZP3, ZP4 pośredniego przekształtnika napięcia PXi1, a zaciski strony wtórnej transformatora TXi są połączone z zaciskami ZP1, ZP2 pośredniego przekształtnika napięcia PXi2 (fig. 2). Każdy pośredni przekształtnik napięcia PXij (fig. 2) składa się z kondensatora K oraz czterech tranzystorów z diodami zwrotnymi SŁ1, SŁ2, SŁ3, SŁ4 przekształcających napięcie po stronie zacisków ZP1, ZP2 oraz czterech tranzystorów z diodami zwrotnymi SŁ5, SŁ6, SŁ7, SŁ8 przekształcających napięcie po stronie zacisków ZP3, ZP4. Górny zacisk strony wtórnej filtra przeciwzakłóceniowego FZ jest połączony z lewymi górnymi zaciskami pośrednich przekształtników napięcia PA11, PB11, PC11 będącymi jednocześnie górnymi zaciskami skrajnych górnych celek CA1, CB1, CC1, trzech faz izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP po stronie sieci trakcyjnej. Trzy fazy izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP są po stronie sieci połączone ze sobą równolegle. Pierwsza faza izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP składa się z n celek CA1, CA2, ..., CAn połączonych szeregowo. Podobnie druga faza izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP składa się z połączonych szeregowo n celek CB1, CB2, ..., CBn, a jego trzecia faza z połączonych ze sobą szeregowo n celek CC1, CC2, ..., CCn. Dolny zacisk strony wtórnej filtra przeciwzakłóceniowego FZ jest połączony dolnymi prawymi zaciskami pośrednich przekształtników napięcia Pan1, PBn1, PCn1 będącymi jednocześnie dolnymi zaciskami skrajnych dolnych celek CAn, CBn, CCn trzech faz izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP po stronie sieci trakcyjnej. Górne prawe zaciski skrajnych górnych celek CA1, CB1, CC1 po stronie wtórnej izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP (fig. 1) będące jednocześnie górnymi prawymi zaciskami pośrednich przekształtników napięcia PA12, PB12, PC12 są połączone ze sobą oraz z zaciskiem ZN punktu neutralnego a dolne prawe zaciski skrajnych dolnych celek CAn, CBn, CCn po stronie wtórnej izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP (fig. 1) będące jednocześnie dolnymi prawymi zaciskami pośrednich przekształtników napięcia PAn2, PBn2, PCn2 są połączone połączone odpowiednio z zaciskami trójfazowego silnika prądu przemiennego M.

Claims (1)

1. Układ zasilania lokomotywy wielosystemowej składający się z odbieraka prądu napięcia przemiennego, wyłącznika prądu przemiennego, przełącznika wyboru systemu napięcia, odbieraka prądu napięcia stałego połączonego z przełącznikiem wyboru systemu napięcia za pośrednictwem wyłącznika prądu stałego, filtra przeciwzakłóceniowego o dolnym zacisku strony pierwotnej połączonym za pośrednictwem koła jezdnego z siecią powrotną, izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia, który w każdej fazie składa się z szeregowo połączonych celek w liczbie odpowiadającej liczbie poziomów przekształtnika, a każda celka składa się z transformatora połączonego z pośrednim przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie przemienne po stronie odbieraków prądu i z pośrednim przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie przemienne po stronie silnika lokomotywy, przy czym częstotliwość pracy transformatora odpowiada częstotliwości przełączeń tranzystorów pośrednich przekształtników napięcia, a zaciski górnych skrajnych celek w każdej fazie wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie silnika lokomotywy są połączone wzajemnie ze sobą w punkcie neutralnym, a zaciski dolnych skrajnych celek w każdej fazie wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie silnika lokomotywy są odpowiednio połączone z zaciskami trójfazowymi silnika lokomotywy, znamienny tym, że składa się z jednofazowego autotransformatora (AT) o dzielonym uzwojeniu wtórnym obniżającym napięcie, przy czym zacisk górny uzwojenia pierwotnego autotransformatora (Z0) jest połączony z odbierakiem prądu napięcia przemiennego (OPP) za pośrednictwem wyłącznika prądu przemiennego (W1), a zacisk wspólny uzwojenia pierwotnego i dzielonego uzwojenia wtórnego (Z3) jest połączony z dolnym zaciskiem strony pierwotnej filtra przeciwzakłóceniowego (FZ) oraz za pośrednictwem koła jezdnego (K) z siecią powrotną (SP), a dwa zaciski dzielonego uzwojenia wtórnego autotransformatora (Z1, Z2) są połączone z przełącznikiem wyboru systemu napięcia (PRZ), którego dolny biegun jest połączony z górnym zaciskiem strony pierwotnej filtra przeciwzakłóceniowego (FZ), a zaciski strony wtórnej filtra przeciwzakłóceniowego (FZ) są połączone odpowiednio z zaciskami górnych skrajnych celek (CA1, CB1, CC1) i dolnych skrajnych celek (CAn, CBn, CCn) izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia (IWKP) po stronie odbieraka prądu przemiennego (OPP).