АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ПИТАЕМОГО ОТ ВОЗДУШНОЙ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ТЯГОВОГО СРЕДСТВА Российский патент 1997 года по МПК B60L9/08 

Изобретение касается активного фильтра для фильтрации тока и в случае необходимости улучшения коэффициента мощности тяговой единицы, питаемой от однофазной воздушной контактной сети с цепной подвеской.

Расположенные вдоль рельсового пути линии дальней связи могут испытывать помехи, вызываемые тяговым током, проходящим по воздушной контактной сети и возвращающимся к подстанции через рельсы и грунт. Эта совокупность элементов, образующая контуры, генерирующие магнитное поле, главным образом может вызвать возмущение в воздушных проводах. Это возмущение проявляется еще сильнее, если провода не защищены металлической оболочкой.

Возмущающие напряжения, наведенные в слаботочных проводниках, при отсутствии защиты могут оказаться опасными для персонала и оборудования и стать причиной аномальной работы таких сетей.

Тяговые единицы, питаемые от воздушной контактной сети, оборудуются входными преобразователями переменного тока в постоянный. Во Франции такие преобразователи, устанавливаемые на большинстве тяговых единиц, представляют собой мостовую схему смешанного типа. Эти выпрямительные мосты отличаются естественной коммутацией, что предполагает потребление реактивной мощности и создание искажающей мощности на линии.

Установка активного фильтра на выходе тяговой единицы с целью уменьшения генерируемых помех, в основном мостами с естественной коммутацией, в питающей сети является предметом многих исследований. Принцип, который при этом стремятся применять, состоит в том, что параллельно к воздушной контактной сети подключают управляемый источник тока, способный подавать на эту воздушную контактную сеть ток достаточной амплитуды. Управляемый источник тока может быть выполнен, например, на основе инвертора напряжения с обратной связью по току с выходом через вспомогательную обмотку тягового трансформатора. Источник постоянного напряжения, питающий инвертор, должен иметь амплитуду, превышающую пиковое значение напряжения, используемого вторичной обмоткой.

В настоящее время эти исследования не имеют никакого практического выхода. Чтобы устранить этот недостаток, согласно изобретению, предлагается активный фильтр с несколькими уровнями напряжения с высокой эффективностью подавления токовых гармоник.

Изобретение, таким образом, имеет своим предметом активный фильтр для фильтрации тока и в случае необходимости улучшение коэффициента мощности единицы, питаемой от однофазной воздушной сети с помощью коллектора, снимающего напряжение с воздушной контактной сети, и распределительных устройств для передачи эксплуатационного напряжения тяговому и вспомогательному оборудованию. Предложенный фильтр содержит по меньшей мере два моста с принудительной коммутацией и источниками напряжения, причем мосты соединены последовательно со стороны переменного напряжения и запитываются независимо постоянным напряжением, и содержит, кроме того, систему управления, осуществляющую принудительную коммутацию мостов таким образом, что с однофазной стороны создается переменный ток от различных уровней напряжения, представляющих собой результат комбинаций величин постоянных напряжений указанных мостов. Этот создаваемый ток подается на указанные коллектор и распределяющие устройства для компенсации нежелательных гармоник (иногда потребляемой реактивной мощности), наводимых тяговых и вспомогательным оборудованием в воздушной контактной сети.

Коллектор и распределительные средства обычно образованы входным трансформатором. В этом случае активный фильтр может быть подключен к обмотке переменного тока следующим образом:
к концам специально отведенной для него вторичной обмотки входного трансформатора, или
к концам вторичной обмотки отдельного трансформатора, первичная обмотка которого подключена параллельно к первичной обмотке входного трансформатора, или
последовательно к индуктивному сопротивлению и вместе с ним параллельно к первичной обмотке входного трансформатора, или
ко вторичной обмотке, питающей тяговое и вспомогательное оборудование, при этом фильтр может быть подключен к части этой обмотки или ко всей вторичной обмотке, или
к части первичной обмотки.

Выгодно, чтобы мосты содержали плечи, образованные статическими симметричными переключателями, управляемыми по открытию и по запиранию.

Эти статические переключатели могут содержать группу из встречно-параллельно включенных диода и биополярного транзистора с изолированным затвором (lGBT), диодом и многоколлекторным транзистором (МСИ) или диодом и тиристором с выключением по управляющему электроду (GTO).

В случае если активный фильтр содержит два моста, один из них может запитываться постоянным напряжением, втрое большим постоянного напряжения, питающего другой мост. Одно из этих постоянных напряжений может иметь своим источником генератор постоянного напряжения, а другое подаваться от конденсатора.

В случае когда активный фильтр содержит три моста, каждый из них может запитываться напряжением, таким же, как и другие.

На фиг. 1 представлен входной трансформатор тяговой единицы электрифицированной железной дороги, снабженный активным фильтром согласно изобретению, на фиг. 2-5 различные варианты установки фильтра согласно изобретению по отношению ко входному трансформатору электрифицированного тягового устройства, на фиг. 6 блок-схема системы управления активного фильтра согласно изобретению
На фиг. 1 схематично показан входной трансформатор 1 электрической тяговой единицы, снабженный активным фильтром 8 согласно изобретению. Трансформатор 1 содержит первичную обмотку 2 и несколько вторичных обмоток 3, 4 и 5. Вторичные обмотки 3 и 4 предназначены для питания нагрузок 6 и 7, которые могут представлять собой тяговое или вспомогательное оборудование. К выводам вторичных обмоток 3 и 4 могут быть соответственно подключены пассивные фильтры. Каждый из них может быть, например, представлен индуктивным сопротивлением или конденсатором, подключаемыми последовательно.

Вторичная обмотка 5 питает ряд мостов с принудительной коммутацией 10, 11, N. Мосты включены последовательно со стороны переменного тока и запитываются независимо постоянными напряжениями U₁, U₂ U_N.

К схеме может быть добавлено пассивное фильтрационное устройство 9. Оно может быть установлено между вторичной обмоткой 5 и активным фильтром 8. Оно может состоять из двух дросселей, включенных последовательно между одним из выводов вторичной обмотки 5 и активным фильтром, при этом общая точка двух дросселей подключена через конденсатор к другому выводу вторичной обмотки 5.

Как показано на фиг. 2, выходной трансформатор 17 питает нагрузки 6 и 7. Активный фильтр 8 подключен к выводам вторичной обмотки отдельного трансформатора 18, первичная обмотка которого подключена параллельно к первичной обмотке входного трансформатора 17.

Как показано на фиг. 3, этот же входной трансформатор 17 питает нагрузки 6 и 7. Активный фильтр 8 теперь подключен последовательно к индуктивному сопротивлению 12. Группа активный фильтр индуктивное сопротивление 12 параллельно подключена к первичной обмотке входного трансформатора 17.

На фиг. 4 входной трансформатор 13 имеет вторичные обмотки, питающие нагрузки 6, 7 и 14. Активный фильтр 8 подключен к части вторичной обмотки, питающей нагрузку 14. Он может также быть подключен ко всей вторичной обмотке, то есть параллельно нагрузке 14.

На фиг. 5 трансформатор 15 питает нагрузки 6, 7 и 16. Активный фильтр 8 подключен к части первичной обмотки входного трансформатора 15.

В качестве примера опишем случай, когда активный фильтр 8 образован двумя мостами 10 и 11 (см. фиг. 1).

Мост 11 питается, например, от источника постоянного напряжения U₂, которым может служить источник питания вспомогательного оборудования, и выдает на выходе напряжения величиной U. Мост 10 запитывается источником постоянного напряжения, которым может служить конденсатор, напряжение на выводах которого U₁ равно 3U.

Так как постоянное напряжение на выводах моста 11 относительно мало (например, 500 В), этот мост может быть выполнен на биполярных транзисторах с изолированным затвором (lGBT). Таким образом, каждое плечо моста 11 содержит диод, включенный встречно-параллельно с транзистором. При этом мост 11 может работать с очень высокой частотой передачи тока, обеспечивающей подачу напряжения U₂ в трех состояниях: U, 0 и -U.

Постоянное напряжение на зажимах моста 10 очень высоко (1500 В, если U 500 В), следовательно, мощность этого моста также более велика. Поэтому в этом мосте используются тиристоры с включением (запиранием) по управляющему электроду (GTO), который имеет температурное ограничение коммутации. Таким образом, каждое плечо моста 10 содержит диод, включенный встречно-параллельно с тиристором GTO. Мост 10 работает с малой частотой тока, он выдает напряжение V₁ с тремя возможными состояниями: U₁, 0 и U₁ при U₁ 3U.

Напряжение V_s, прилагаемое к выводам обмотки 5, представляет собой результирующее напряжение комбинации напряжений двух мостов: V_s=V₁+V₂. Отсюда следует, что напряжение V_s может принимать 9 возможных значений: U₁+U, U₁, U₁-U, U, 0, -U, -U₁+U, и -U₁-U (при U₁ 3U).

Фиг. 6 иллюстрирует работу системы управления активного фильтра согласно изобретению. Регулирование активного фильтра производится по двум контурам или циклу 21 регулирования напряжения U₁ на выводах конденсатора, служащего генератором, питающим мост 10.

Контур или цикл 20 это цикл активного фильтра и включает обработку гармоник и при необходимости улучшение коэффициента мощности. Эта обработка оптимизируется с точки зрения приоритета обрабатываемых величин. Например, речь может идти об обработке псофометрического тока (называемого также эквивалентным возмущающим током).

Блок 22 представляет собой силовую электрическую часть тяговой единицы: входной трансформатор, выпрямительные мосты. Позицией 23 отмечено измерение возмущающих токов, то есть гармоник. Гармоники обрабатываются устройством обработки 28, которое осуществляет быстрое преобразование Фурье входных данных, обрабатывает гармоники в зависимости от задаваемых ему приоритетов (выбор спектральных линий, взвешивания) и осуществляет обратное преобразование Фурье.

Производят цифровую обработку спектра сигнала с целью выработки опорной величины гармоник тока для компенсации. Эта опорная токовая величина направляется на схему 27.

Цикл управления 21 это цикл регулирования основной гармоники тока во вторичной обмотке активного фильтра. Это регулирование имеет целью сохранение напряжения U₁ постоянным и равным его опорной величине U₁(оп) 3U.

Цикл 21 включает измерение U₁ на выводах конденсатора и сравнение измеренной величины с опорной величиной с помощью компаратора 29.

Разница величин ΔU₁ попадает на вход пропорционально-интегрального регулятора 30. Таким образом получают ток основной гармоники во вторичной обмотке активного фильтра. Вследствие этого после выпрямления мостами активного фильтра появляется постоянный ток, который позволяет регулировать напряжение на выводах конденсатора.

Схема 27 вырабатывает опорный ток активного фильтра, основную гармонику и другие гармоники или величину I_s (оп). Путем сравнения с помощью компаратора 32 токов I_s (оп) и I_s (тока, измеренного во вторичной обмотке 5), получают токовую разницу ΔI_s, которую следует аннулировать.

Сведение к нулю токовой разницы ΔI_s осуществляют с помощью схем 33 и 34 управления соответственно мостами 10 и 11. Эти схемы 33 и 34 представляют собой логические блоки, и их может быть столько же, сколько имеется мостов. На вход регулятора 35 поступает токовая разница ΔI_s, а с его выхода - сигналы-команды подаются на блок мостов с принудительной коммутацией.

Схема 38 осуществляет обработку измеренных напряжений U₁ и U₂ (до U_N, если имеется N мостов). Схема 39 представляет собой логический блок, различающий состояния каждого источника напряжения U₁ и U₂ (и при необходимости до U_N).

Изобретение использует наибольшее число схемных элементов, что является преимуществом с точки зрения надежности, обеспечиваемой малыми габаритами и малой вероятностью замыкания на корпус, а это основные критерии для оборудования, устанавливаемого на тяговой единице.

Использование: электрифицированный железнодорожный транспорт, средства фильтрации тока для транспортных установок с электроснабжением от контактной сети. Сущность изобретения: активный фильтр содержит по меньшей мере два моста с принудительной коммутацией и источником напряжения. Мосты включены последовательно со стороны переменного тока и запитаны постоянным напряжением независимо друг от друга. В состав фильтра входит также орган управления, осуществляющий принудительную коммутацию моста таким образом, что со стороны однофазного тока развивается переменный ток от разных уровней напряжения. Последние представляют собой результатирующие комбинации величин постоянных напряжений мостов. Полученный ток подается на коллекторы и распределители для компенсации гармоник и, возможно, поглощаемой реактивной мощности, возникающих при работе тягового и вспомогательного оборудования и попадающих в воздушную контактную сеть. 16 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Активный фильтр для питаемого от воздушной контактной сети переменного тока тягового средства, содержащий предназначенный для компенсации создаваемых гармоник и, при необходимости, потребляемой реактивной мощности мостовой инвертор, плечи которого соединены с соответствующими выходами узла управления, источник напряжения постоянного тока, подключенный к первой диагонали мостового инвертора, и узел передачи компенсирующего тока в контактную сеть, отличающийся тем, что в него введены по меньшей мере один дополнительный мостовой инвертор аналогичного назначения, плечи которого соединены с соответствующими выходами узла управления, и один дополнительный источник напряжения постоянного тока, подключенный к первой диагонали дополнительного мостового инвертора, при этом вторые диагонали мостовых инверторов подключены последовательно к узлу передачи тока в контактную сеть, а узел управления выполнен с возможностью коммутации плеч мостовых инверторов, обеспечивающей формирование в каждый момент времени компенсирующего напряжения в виде комбинации из прямых и инверсных напряжений постоянного тока источников и нулевого уровня. 2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что узел передачи компенсирующего тока в контактную сеть выполнен на основе трансформатора. 3. Фильтр по п. 2, отличающийся тем, что узел передачи компенсирующего тока в контактную сеть выполнен в виде индивидуальной вторичной обмотки входного трансформатора тягового средства. 4. Фильтр по п. 2, отличающийся тем, что узел передачи компенсирующего тока в контактную сеть выполнен в виде отдельного трансформатора, первичная обмотка которого включена параллельно первичной обмотке входного трансформатора тягового средства. 5. Фильтр по п. 2, отличающийся тем, что узел передачи компенсирующего тока в контактную сеть выполнен в виде части вторичной обмотки входного трансформатора тягового средства. 6. Фильтр по п. 2, отличающийся тем, что узел передачи компенсирующего тока в контактную сеть выполнен в виде части первичной обмотки входного трансформатора тягового средства. 7. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что узел передачи компенсирующего тока в контактную сеть выполнен в виде электрической цепи с дросселем, включенной параллельно первичной обмотке входного трансформатора тягового средства. 8. Фильтр по любому из пп. 1 7, отличающийся тем, что плечи мостовых инверторов образованы симметричными статическими переключателями, управляемыми по отпиранию и запиранию. 9. Фильтр по п. 8, отличающийся тем, что статические переключатели состоят из встречно-параллельно включенных диодов и биполярных транзисторов с изолированным затвором. 10. Фильтр по п. 8, отличающийся тем, что статические переключатели состоят из встречно-параллельно включенных диодов и тиристоров с выключением по управляющему электроду. 11. Фильтр по п. 8, отличающийся тем, что статические переключатели состоят из встречно-параллельно включенных диодов и многоколлекторных транзисторов. 12. Фильтр по любому из пп. 1 11, отличающийся тем, что при наличии двух мостовых инверторов и двух источников напряжения постоянного тока один из источников выбран с напряжением втрое большим, чем напряжение другого источника. 13. Фильтр по п. 12, отличающийся тем, что источник с меньшим напряжением выполнен в виде генератора напряжения постоянного тока, а источник с большим напряжением в виде конденсатора. 14. Фильтр по п. 13, отличающийся тем, что узел управления включает в себя контур регулирования напряжения на выводах конденсатора для формирования опорной величины основной гармоники компенсирующего тока. 15. Фильтр по любому из пп. 1 11, отличающийся тем, что при наличии трех мостовых инверторов и трех источников напряжения постоянного тока все источники выбраны с равными напряжениями. 16. Фильтр по любому из пп. 1 15, отличающийся тем, что узел управления включает в себя контур обработки гармоник для формирования опорной величины гармонической составляющей компенсирующего тока. 17. Фильтр по п. 16, отличающийся тем, что контур обработки гармоник выполнен с блоком анализа данных, позволяющим отбирать компенсирующие гармоники.