RO123534B1 - Echipament pentru acţionarea unui vehicul electric, urban, de suprafaţă, deplasabil pe şine - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un echipament pentru acţionarea unui vehicul electric, urban, deplasabil pe şine, echipat cu invertoare trifazate şi motoare asincrone de tracţiune. Echipamentul conform invenţiei este alcătuit dintr-un descărcător de supratensiune (3), un filtru de protecţie paraziţi radio-TV, un traductor de tensiune (7), un contactor rapid (8) principal, prin a cărui închidere, tensiunea culeasă de la o linie de contact de curent continuu este aplicată la două invertoare trifazate de tracţiune, realizate, fiecare, dintr-un filtru format din câte o inductanţă (12 şi 35) şi un condensator (13 şi 36) pe care se află câte un traductor (15 şi 38) de tensiune şi un traductor (17 şi 40) de curent total invertor, şase tranzistoare de putere (18...23 şi 41...46), fiecare invertor alimentând câte un motor (26 şi 49) de tracţiune trifazat asincron, prin intermediul a câte două traductoare (24, 25 şi 47,48) de curent de fază, fiecare motor (26 şi 49) având câte un traductor (27 şi 50) de poziţie şi de turaţie, şi câte un circuit de frânare reostatică, conectat în paralel pe intrarea fiecărui invertor, fiecare invertor fiind comandat de către un bloc de comandă invertor (31 şi 54), comenzile fiind realizate ţinând cont de comenzile de regim sosite de la un bloc (55) de comandă centrală, prin intermediul unei magistrale (56) de date şi comenzi, la care mai sunt conectate: un afişaj (57), un calculator (58) tip laptop, un controler (59) de comandă vehicul, care este conectat, prin intermediul unei magistrale (60), la blocul (55) de comandă centrală, la care mai sosesc informaţii de la două butoane (61 şi 62) de izolare funcţiona

Description

Prezenta invenție se referă la un echipament pentru acționarea unui vehicul electric, urban, de suprafață, deplasabil pe șine, de tip tramvai sau ramă de metrou ușor, echipament ce necesită a fi alimentat de la linia de curent continuu, având tensiunea nominală de

600 Vcc sau 750 Vcc.

Sunt cunoscute diferite acționări, care asigură doar parțial dezideratele unei acționări complete și eficace, și anume: la intrarea frânării reostatice, este deconectată frânarea cu recuperarea energiei, apar uneori supratensiuni de reglare, majoritatea blocurilor de comandă, pentru ramele de metrou ușor și tramvaie, sunt realizate cu plăci electronice, ce conțin elemente logice și analogice care au gabarit mare și fiabilitate redusă, și, în general, acestea nu conțin blocuri de diagnoză, pentru întregul echipament de acționare și pentru durate mai lungi de exploatare.

Mai nou, au apărut și blocuri de comandă cu microprocesoare, care realizează doar o parte din funcțiile blocului de comandă conform invenției, și doar o parte dintre evenimente sunt diagnosticate.

Este cunoscut, de asemenea, un echipament pentru acționarea unui vehicul electric, urban (RO 120395 B1, 30.01.2006), echipament ce include două siguranțe fuzibile, ultrarapide, de linie, câte una pentru fiecare fază, un filtru de paraziți radio, format din două inductanțe, câte una pentru fiecare fază, un condensator montat în paralel, cu un element de protecție la supratensiune, un contactor de limitare, înseriat cu un rezistor de limitare, și două contactoare principale, care se închid temporizat, după închiderea contactorului de limitare, prin care tensiunea continuă de alimentare este aplicată unui redresor monofazat, cu patru diode, pentru regimul de mers, și două tiristoare, montate antiparalel, pe diode, tiristoare ce sunt blocate în regim de mers, tensiunea de ieșire din punte este aplicată unui filtru de rețea LCR, la polaritatea minus a condensatorului din filtru, fiind conectat emitorul unui tranzistor IGBT, aferent unui variator de curent continuu, iar la colectorul tranzistorului, fiind conectat anodul unei diode de regim, având colectorul conectat la polaritatea plus a condensatorului, la colectorul tranzistorului, este înseriat un circuit format dintr-o inductanță de netezire curent, excitația motorului de tracțiune de tip serie, un contactor de mers înainte, legat la o bornă a rotorului motorului de tracțiune, iar la cealaltă bornă a acestuia, fiind conectat alt contactor de mers înainte, acești contactori fiind închiși la mersul înainte al vehiculului și, respectiv, pentru mersul înapoi, sunt deschiși, motorul fiind alimentat cu polaritate inversată.

Problema tehnică, pe care o rezolvă invenția, este ameliorarea echipamentelor existente pentru acționarea vehiculelor electrice, urbane, de tip tramvai sau ramă de metrou ușor, prin asigurarea regimurilor de tracțiune și frânare electrică, cu recuperarea energiei, fără să fie necesară comutarea schemei de forță, cu contactoare suplimentare, atât în cazul acționării tramvaiului, cât și a metroului ușor.

Avantajele acționării vehiculelor electrice, urbane, conform prezentei invenții, în comparație cu acționarea conform soluției menționate din stadiul tehnicii (RO 120395 B1, 30.01.2006), sunt următoarele:

- se asigură un confort sporit pentru pasageri, în special, la frânările de oprire;

- energia recuperată la frânarea electrică este mai mare cu 15 %, prin asigurarea frânării până la oprire, în comparație cu invenția la care frânarea electrică este eficace până la viteza de maximum 8...10 km/h;

- nu mai sunt necesare contactoarele de trecere a schemei de acționare de la regimurile de mers-frânare și invers, asigurându-se astfel și un răspuns mai rapid la comanda de frânare și o fiabilitate mărită a echipamentului;

- nu mai sunt necesare rezistoarele și contactoarele de slăbire de câmp, asigurând o frânare electrică eficace și la vitezele mari de exploatare.

RO 123534 Β1

Echipamentul pentru acționarea tramvaielor și ramelor electrice ușoare, echipate cu 1 două invertoare trifazate și două motoare asincrone de tracțiune, echipate, fiecare, cu un invertor trifazat și un motor asincron trifazat, la fiecare boghiu motor, înlătură dezavantajele 3 arătate mai sus, prin aceea că se asigură toate stările de funcționare, necesare regimurilor de tracțiune și frânare electrică, prin orientarea după fluxul statoric, realizându-se frânarea 5 electrică, cu recuperarea energiei și frânarea reostatică până la oprirea completă a vehiculului și, respectiv, frânarea de urgență, stările de frânare având prioritate față de cele 7 de tracțiune, invertoarele trifazate de tracțiune fiind realizate cu șase tranzistoare de putere, fiecare invertor alimentează câte un motor de tracțiune trifazat, asincron, montat pe boghiul 9 motor, fiecare motor având câte un traductor de poziție și turație, fiecare invertor este comandat de către un bloc de comandă invertor, care asigură comanda corespunzătoare a 11 tranzistoarelor din invertor, pentru regimul de mers cu câmp plin până la turația nominală, și, respectiv, cu câmp slăbit peste turația nominală, și frânarea electrică cu recuperare, prin 13 comanda corespunzătore a tranzistoarelor din invertor și, respectiv, introducerea frânării reostatice, ca diferență, când tensiunea la filtrele de la intrarea invertoarelor ajunge la 15 tensiunea maximă, admisă la linia de contact, aceste comenzi fiind realizate, ținând cont și de comenzile de regim sosite de la un bloc central de comandă, prin intermediul unei 17 magistrale de date și comenzi.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. V2, care 19 reprezintă:

- fig. 1, schema electrică de forță a echipamentului de acționare a tramvaiului, 21 conform invenției;

- fig. 2, diagrama logică a mașinii de stare, pentru comanda vehiculului electric, 23 urban, prevăzută cu stări multiple, corespunzătoare regimurilor de mers și frână, ale vehiculului; 25 în fig. 1 este prezentată schema electrică de forță a echipamentului pentru acționarea unui vehicul electric, urban, de tip tramvai sau ramă de metrou ușor, cu două boghiuri 27 motoare, fiecare boghiu fiind echipat cu câte un motor trifazat, asincron, de tracțiune și un invertor trifazat cu tranzistoare IGBT, fiecare invertor alimentând, cu tensiune și frecvență 29 variabilă, motorul trifazat, asincron, de tracțiune, aferent boghiului.

Tensiunea continuă de intrare, culeasă de un pantograf 1 (polaritatea plus) și de la 31 șină, prin anumite roți 2 (polaritatea minus), este aplicată unui descărcător de supratensiune 3 și, respectiv, prin intermediul unei inductanțe 4, de filtru paraziți electromagnetici 33 (radio,TV), este conectat un condensator filtru paraziți radio 5, înseriat cu un fuzibil termic de protecție 6. în paralel, pe condensatorul 5, este conectat un traductor de tensiune 7, 35 pentru măsurarea tensiunii la linia de contact.

Tensiunea de la bornele de ieșire ale inductanței 4, prin intermediul unui contactor 37 rapid, principal 8, de protecție la scurtcircuit și suprasarcină, a unui fuzibil termic 9, a unui contactor auxiliar de încărcare 10 și a unui rezistor de limitare curent 11, tensiunea este 39 aplicată unui filtru de intrare format dintr-o inductanță 12 și un condensator 13. în paralel, pe condensatorul 13, se află un rezistor 14 de descărcare rapidă a condensatorului 13 și un 41 traductor de tensiune 15, aferent filtrului de intrare .

După un timp scurt optim, se închide contactorul principal, filtru de intrare 16, care 43 permite, după ce condensatorul s-a încărcat inițial la o tensiune rezonabilă, alimentarea, printr-un traductor de curent principal, a unui invertor trifazat, format din șase tranzistoare 45

IGBT 18...23.

RO 123534 Β1

Invertorul trifazat alimentează, prin intermediul a două traductoare curent fază 24 și

25, un motor de tracțiune trifazat, asincron 26, care are cuplat pe el un traductor de turație și poziție 27, ce măsoară turația motorului și determină și sensul de rotație al acestuia.

Cu ajutorul unui tranzistor de frânare reostatică 28 și al unui rezistor de frânare reostatică 29, este introdusă această frânare, curentul de frânare se măsoară cu un traductor de curent 30, de frânare reostatică.

Invertorul este comandat să alimenteze motorul de tracțiune, cu tensiune și frecvență variabilă, urmărind fluxul statoric al motorului de către un bloc de comandă invertor 31, realizat cu un microprocesor mașter și unul sau mai multe microprocesoare slave.

Blocul de comandă invertor 31 asigură regimurile de tracțiune și frânare electrică, cu recuperarea energiei, și când rețeaua nu primește toată energia de frânare comandată, se comandă intrarea în funcțiune a frânării reostatice, ca diferență între frânarea cerută și cea cu recuperarea energiei.

Funcționarea invertorului cu tranzistoare se asigură prin comanda tranzistoarelor din acest bloc de comandă, care primește o serie de informații de la traductoarele de curent frânare reostatică, curenții de fază, și, respectiv, de la traductoarele de turație și poziție 27.

Pentru acționarea motorului de tracțiune de pe cel de-al doilea boghiu, este utilizată o schemă similară cu cea pentru acționarea primului boghiu, utilizând elementele 32...54.

Pentru comanda tramvaiului în ansamblu, este utilizat un bloc de comandă general 55, realizat cu un microprocesor mașter și unul sau mai multe microprocesoare slave, primind o serie de informații de la toate blocurile și elementele de tracțiune, și anume: printr-o magistrală de date 56, se transmit datele și informațiile între blocul de comandă principal 55 și blocurile de comandă invertoare 31 și 54. Tot prin această magistrală, sunt transmise datele necesare pentru un afișaj inteligent 57, alfanumeric, aflat în bordul vehiculului și, respectiv, un calculator tip laptop 58, pentru extragerea datelor de diagnoză din blocurile de comandă.

Cu ajutorul unui controler de comandă 59, aflat la bord, conducătorul vehiculului comandă regimurile de mers (înainte sau înapoi), frânare normală, frânare de urgență și frânare de staționare, precum și accelerația la demaraj și, respectiv, decelerația la frânare, aceste date sunt transmise, la blocul de comandă principal, printr-o magistrală de date 60. Cu ajutorul unor butoane 61 și 62, dispuse în bord, conducătorul vehiculului poate deconecta din funcționare primul sau al doilea invertor.

Cu ajutorul unui dispozitiv de frânare urgență 63, se asigură automat, în caz de nevoie, frânarea de urgență de valoare maximă, inclusiv nisiparea roților.

în fig. 2, este prezentată diagrama logică a mașinii de stare, pentru comanda unui vehicul electric, urban, de suprafață, deplasabil pe șine (tramvai sau ramă de metrou ușor), vehicul echipat cu două invertoare și două motoare de tracțiune asincrone și având implementată, la nivelul unității de comandă mașter, cu care este prevăzut blocul central de comandă 55, logica de funcționare a vehiculului (dată de diagrama de stări din fig. 2), pentru regimurile de mers și frână, care definesc modul de acționare al vehiculului. în fig. 2, elipsele a căror zonă interioară este hașurată reprezintă stări normal stabile.

Funcțiile logice folosite: Șl logic: &, SAU logic: +, Negația: /.

Condiția inițială pentru vehicul este starea FTO INACTIVĂ, atunci când blocul central de comandă 55 este alimentat sau atunci când este aplicată, la unitatea de comandă mașter de la nivelul blocului central de comandă 55, o comandă de reinițializare.

Se definește condiția de repaus tracțiune sau tracțiune inactivă IDLE_TR, prin:

IDLE_TR = manpls + cfgerr + /s_redy + /CIN & CIP + /mortl &/mort2, având ca intrări:

manpls - regim de puls manual, pentru testare;

RO 123534 Β1 cfgerr - eroarea de configurare sistem; 1 s_redy - semnal disponibil pentru tracțiune, primit de la unitatea comandabilă slave, cu care este prevăzut blocul central de comandă 55; 3

CIN - comandă înainte;

CIP - comandă înapoi; 5 morti - semnal pedală om mort;

mort2 - semnal pedală om mort;7 condiție ce definește starea FTO INACTIVĂ a echipamentului de acționare, conform invenției.9 în momentul în care există negația condiției de repaus tracțiune sau tracțiune inactivă 7IDLE_TR, se trece din starea FTO INACTIVĂ, în starea FT1 PREGĂTITĂ.11

Din starea FT1 PREGĂTITĂ, se trece apoi în starea FT2 AȘTEPTARE MERS, dacă există condiția de preluare comandă mers PRE_CM, definită prin:13

PRE_CM = /EG2 & /EG3 & /ebrake & PMbeg & (forwrd + /forwrd & slowrun) & /CFP, unde:15

EG2 - eroare clasificată, având semnificația lipsă tensiune rețea;

EG3 - eroare clasificată, având semnificația vehicul în mers;17 ebrake - semnal frână de urgență, produs de pedala om mort;

PMbeg - maneta de mers-frână depășește nivelul minim de început;19 forwrd - semnal mers înainte;

slowrun - mers înainte încet;21

CFP - comanda din bord pentru frâna cu patină.

Din starea FT2 AȘTEPTARE MERS, se poate reveni în starea FT1 PREGĂTITĂ, 23 dacă există negația condiției de preluare comandă mers 7PRE_CM.

Din starea FT2 AȘTEPTARE MERS, se trece în starea stabilă FT3 MERS, dacă 25 sunt îndeplinite simultan condițiile de confirmare a funcționării celor două invertoare și acționării contactoarelor principale 16 și 39: 27 (ruren 1 & AKL 1) & (ruren 2 & AKL 2), unde:29 ruren 1 - semnal de calificare regim mers, pentru primul invertor;

ruren 2 - semnal de calificare regim mers, pentru al doilea invertor;31

AKL1 - acționare contactor principal 16, pentru primul invertor;

AKL2 - acționare contactor principal 39, pentru al doilea invertor.33

Starea stabilă FT3 MERS se menține atâta timp cât sunt îndeplinite simultan condițiile de mers și de confirmare a funcționării celor două invertoare:35 (COND_M & rurenal) & (COND_M & rurena2), în care COND_M reprezintă condiția de mers, definită prin:37

COND _M = PRE_CM & /manpls & (s1_redy + s2_redy), unde:39

PRE_CM - preluare comandă mers;

manpls - regim de puls manual (testare);41 s1_redy - semnal disponibil pentru tracțiune, primit de la unitatea slave de comandă a primului invertor; 43 s2_redy - semnal disponibil pentru tracțiune, primit de la unitatea slave de comandă a celui de-al doilea invertor. 45

Când apare negația condiției de mers 7COND_M, se trece din starea stabilă FT3

MERS, în starea FT4 AȘTEPTARE retrag, mers. Dacă, în această stare FT4 47

AȘTEPTARE retrag, mers, apar condițiile cumulative /CMT & /CTB + ebrake, 49

RO 123534 Β1 unde

CMT - comandă mers, acționare buton de comandă cabină;

CTB - comandă mers, acționare buton de comandă spate;

ebrake - semnal frână de urgență, produs de pedala om mort; se trece în starea intermediară FT5 AȘTEPTARE oprire tract..

Din starea FT5 AȘTEPTARE oprire tract., se trece în starea FT1 PREGĂTITĂ, după un timp temporizat corespunzător.

Din starea FT1 PREGĂTITĂ, se poate trece în starea tranzitorie FT6 AȘTEPTARE FRÂNĂ, dacă apare condiția de preluare comandă frână PRE_CF. Din starea tranzitorie FT6 AȘTEPTARE FRÂNĂ, se poate reveni în starea FT1 PREGĂTITĂ, dacă respectiva condiție de preluare comandă frână PRE_CF dispare sau dacă nu apare confirmare de la microprocesoarele slave din blocurile de comandă 31 și 54, pentru comandă invertor.

Din starea tranzitorie FT6 AȘTEPTARE FRÂNĂ, se poate trece în starea stabilă FT7 FRÂNĂ, dacă sunt îndeplinite simultan condițiile:

brkenal & brkena2, unde:

brkenal - semnal de calificare frână, generat de blocul de comandă 31, pentru comanda primului invertor;

brkena2 - semnal de calificare frână, generat de blocul de comandă 54, pentru comanda celui de-al doilea invertor.

Când apare negația condiției de frânare 7CONF_F, se sfârșește regimul de frânare electrică, trecându-se în regimul tranzitoriu, trecându-se, respectiv, din starea stabilă FT7 FRÂNĂ, în starea intermediară FT5 AȘTEPTARE oprire tract. (oprire tracțiune), iar apoi în starea stabilă FT1 PREGĂTITĂ.

în regimul mers, la apariția unei condiții de preluare comandă frână urgență PRE_EB, din starea stabilă FT1 PREGĂTITĂ, se trece în starea intermediară FT8 AȘTEPTARE FR. URG (frână de urgență), fiind îndeplinită precondiția de frânare de urgență, după

PRE_EB = ebrake, unde

PRE_EB - preluare comandă frână urgență;

ebrake - semnal frână de urgență, produs de pedala om mort.

Din starea intermediară FT8 AȘTEPTARE FR. URG, se trece simultan în două stări: starea stabilă FT7 FRÂNĂ și starea stabilă FT9 FRÂNĂ URG., când există îndeplinite simultan condițiile:

brkenal & brkena2, anterior menționate.

La ieșirea din starea stabilă FT 9 FRÂNĂ URG., se trece în starea intermediară FT5 AȘTEPTARE oprire tract., iar apoi în starea stabilă FT1 PREGĂTITĂ.

în modul anterior prezentat, prin implementarea diagramei de stări din fig. 3, care definește logica de funcționare a vehiculului electric, urban, se asigură o frânare electrică, cu recuperarea energiei de valoare maximă, la care se mai adaugă frânarea reostatică și frânările de urgență, electromecanice și mecanice, frânarea cu patinele pe șină și nisiparea roților.

De asemenea, cu ajutorul unor programe rezidente, implementate, permit realizarea a patru funcții de bază, și anume:

- control, prin citirea stărilor sistemului de acționare electrică a vehiculului și comenzi date către sistem;

RO 123534 Β1

- reglare, prin comenzi trimise invertoarelor trifazate, care acționează atât în cazul 1 tramvaiului, cât și al ramei de metrou, două motoare asincrone de tracțiune. în regimurile de tracțiune și frânare electrică, cu recuperarea energiei, este, în permanență, reglat cuplul. în 3 cazul frânării electrice, este asigurată limitarea tensiunii la filtru, prin conectarea frânării dinamice (rezistive), astfel încât cuplul total de frânare să fie cel cerut de conducătorul 5 vehiculului. Blocul de reglare asigură în plus protecția la antipatinare, în cazul demarajului și antiblocare la frânarea electrică. 7

- comunicație atât la nivel intern, între unitățile de comandă mașter și slave, cât și cu un calculator extern, în vederea diagnozei; 9

- diagnoză, prin colectarea și memorarea datelor semnificative pentru starea întregului sistem de acționare și memorarea acestora într-o memorie nevolatilă; suplimentar, 11 este disponibil un afișaj inteligent 57, alfanumeric, cu linii a câte 20 de caractere, care reflectă situația curentă a întregului sistem. 13

Cu ajutorul echipamentului de acționare, conform invenției, în care invertoarele trifazate sunt realizate cu tranzistoare de putere de comutație tip IGBT, se asigură demarajul 15 și modificarea vitezei vehiculului, cu pierderi minime de energie și, respectiv, o frânare mixtă eficace: cu recuperarea energiei și, respectiv, reostatică de completare, pentru o gamă mare 17 de variație a vitezei vehiculului. Blocul de comandă, reglare și diagnoză este realizat cu microprocesoare, și traductoarele de măsură pentru viteza vehiculului, tensiuni, curenți și 19 temperatura blocurilor principale de acționare sunt de tipul digital, dar pot fi utilizate și traductoare analogice, în care caz, blocul de comandă dispune și de convertoare analog- 21 digitale.

Tensiunea nominală de intrare în echipamentul de acționare, conform invenției, 23 prevăzut cu invertor trifazat și motoare asincrone de tracțiune, este de 750 Vcc sau 600 Vcc, cu o variație a tensiunii de obicei de ±25...30%, la care se adaugă și supratensiunile 25 atmosferice.

Tensiunea nominală de intrare în blocurile de comandă 31 și 54, realizate cu 27 microprocesoare, este de 24 Vcc, cu o variație a tensiunii de obicei de ±25...30%. Această tensiune este debitată de bateria de acumulatoare de pe vehiculul electric, urban, de 29 suprafață (tramvai sau ramă de metrou ușor).

Echipamentul de acționare, conform invenției, este conceput să lucreze în condițiile 31 grele de pe vehicul, și anume: vibrații mecanice ridicate, gamă de temperatură largă de -

40...+ 55°C etc. 33

Blocul central de comandă 55 este constituit dintr-un sertar electronic, la care conexiunile la cartelele electronice se fac prin partea frontală, pentru intrări și pentru ieșiri, 35 conexiunile interne fiind realizate printr-o placă de bază.

Claims (5)

1 Revendicare

3 Echipament pentru acționarea unui vehicul electric, urban, de suprafață, deplasabil pe șine și prevăzut cu unul sau mai multe vagoane, echipament care, prin intermediul unui

5 pantograf (1), este alimentat, de la linia de contact, cu tensiune continuă, culeasă prin intermediul unui filtru (4 și 5) și al unui contactor principal (8), fiecare vagon al vehiculului

7 electric, urban, fiind echipat cu două motoare (26 și 49) trifazate, asincrone, de tracțiune, antrenate, fiecare, prin acțiunea câmpului statoric, de câte un invertor care reglează turația

9 fiecăruia dintre motoare (26 și 49), în funcție de informația primită de la un traductor de turație (27), caracterizat prin aceea că are în alcătuire două invertoare trifazate de 11 tracțiune, realizate, fiecare, cu câte șase tranzistoare de putere (18,19... 23 și, respectiv, 41,

42.. .46), fiecare invertor, ce are conectat, în paralel, pe intrarea sa, un circuit de frânare 13 reostatică, realizat cu câte un tranzistor de frânare reostatică (28 și, respectiv, 51) și un rezistor de frânare reostatică (29 și, respectiv, 52), fiind comandat de către un bloc de 15 comandă (31 și 54), care asigură comanda corespunzătoare a tranzistoarelor de putere (18,

19.. . 23 și, respectiv, 41, 42...46), blocul de comandă (31 și 54) recepționând comenzi, prin 17 intermediul unei magistrale de date (56), de la un bloc central de comandă (55), pentru furnizare date de diagnoză, bloc central de comandă (55) la care mai sunt conectate un 19 calculator portabil (58), pentru extragerea datelor de diagnoză, un afișaj inteligent (57) pentru afișarea datelor de diagnoză și un controler (59) destinat comenzii vehiculului.