УСТРОЙСТВО, ПОНИЖАЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ, И ЦЕПЬ АСИНХРОННОЙ ТЯГИ, ПИТАЕМАЯ ОТ ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ, СОДЕРЖАЩАЯ ЭТО УСТРОЙСТВО Российский патент 2000 года по МПК H02J5/00 H02J3/36 

Изобретение относится к цепям асинхронной тяги, питаемым от однофазных сетей, и в частности к устройству, понижающему напряжение, а также к цепи асинхронной тяги, питаемой от однофазной сети, содержащей такое устройство.

В соответствии с известным уровнем техники в цепях асинхронной тяги, питаемых от однофазной сети, в основном применяют инверторы напряжения, управляющие тяговыми двигателями, и однофазные выпрямители с принудительной коммутацией, обеспечивающие постоянное переходное (промежуточное) напряжение, служащее источником напряжения инверторов.

Указанные цепи тяги из известного уровня техники позволяют стандартизировать плечи инверторов, а также плечи выпрямителей, у которых рассчитывают размеры, чтобы выдерживать только постоянное переходное напряжение.

В ряде случаев тяговые цепи должны действовать от нескольких питательных сетей, одновременно постоянного и переменного тока, например, при напряжении питания 3000 B и постоянном токе.

При таком применении к инверторам и выпрямителям не может быть непосредственно приложено высокое постоянное напряжение. Известное решение состоит в том, чтобы сообщить другие размеры плечам выпрямителей с возможностью получения последовательно-параллельного преобразователя постоянного тока с целью формирования при использовании напряжения питания 3000 В того же самого переходного постоянного напряжения, которое подают на тяговые инверторы при однофазном питании.

Одним из возможных реализаций данного решения является использование электромагнитных средств, позволяющих коммутировать схему силовых цепей, а также использовать дроссели фильтра. Существует также возможность заменить дроссели фильтра на вторичные обмотки трансформатора тяги на однофазном токе.

Недостатком указанных известных решений является воспроизведение нескольких промежуточных (переходных) напряжений.

Действительно, указанные промежуточные напряжения не все соотносятся с одним и тем же потенциалом.

В качестве примера - один из промежуточных потенциалов непосредственно подводится к положительному выводу источника напряжения. Прямым следствием является тот факт, что комплекс оборудования, располагаемый по мере падения промежуточного напряжения должен быть сформирован таким образом, чтобы обеспечивать электрическую изоляцию потенциала в 3000 B по отношению к массе или согласно стандарту МЭК, 9500 В действующего напряжения, частотой 50 Гц.

Это диэлектрическое ограничение по габаритам приводит к расчету слишком больших размеров изоляторов, путей прохождения тока, а также к увеличению теплового сопротивления охлаждающих систем полупроводников.

В основу изобретения положена задача создания устройства, понижающего напряжение, используемого в цепи асинхронной тяги с однофазным питанием, не имеющего недостатков, упомянутых выше.

Основополагающей идеей устройства, понижающего напряжения по изобретению, является - воспроизводство только одного постоянного промежуточного напряжения.

Величина постоянного промежуточного напряжения равна примерно половине входного напряжения.

Промежуточное постоянное напряжение изолировано гальванически или не изолировано гальванически от питающей сети.

В соответствии с изобретением устройство, понижающее напряжение содержат, по меньшей мере, пару однофазных выпрямителей с принудительной коммутацией, воздействующих на вторичные обмотки главного трансформатора тяги, причем мощность, получаемая от постоянной сети переходит через главный трансформатор тяги, причем указанная энергия рекуперируется на вторичной обмотке с помощью однофазного выпрямителя с принудительной коммутацией, работающего как контролируемый выпрямитель, повышающий напряжение, причем прочие выпрямители с принудительной коммутацией работают синхронно, как инвертор напряжения, при этом первичная обмотка указанного главного трансформатора Т является разомкнутой цепью.

Устройство, понижающее напряжение, удовлетворяет согласно первому варианту выполнения по меньшей мере, одному из следующих отличительных признаков:
- первый и второй однофазный выпрямитель с принудительной коммутацией питает соответственно первую и вторую вторичные обмотки главного трансформатора тяги, причем указанные первый и второй выпрямитель функционирует синхронно как инвертор напряжения, имеющий волну с полным периодом, и питает соответственно указанную первую и указанную вторую вторичные обмотки указанного главного трансформатора тяги, а третий однофазный выпрямитель с принудительной коммутацией работает как контролируемый выпрямитель, повышающий напряжение, и записывается через указанную третью вторичную обмотку указанного главного трансформатора тяги,
- указанные первая, вторая и третья вторичные обмотки главного трансформатора тяти имеют одно и то же число витков.

Согласно другому варианту выполнения в устройстве, понижающем напряжение, первый и второй выпрямители с принудительной коммутацией каждой из указанных пар установлены последовательно и каждая из указанных пар питается от входного напряжения, а причем указанные первые однофазные выпрямители действуют синхронно как инверторы напряжения и питают первую вторичную обмотку главного трансформатора тяги, с которым она объединена, а вторичные однофазные выпрямители с принудительной коммутацией воздействуют на контролируемый выпрямитель, повышающий напряжение и запутываются через вторичную обмотку главного трансформатора тяги, с которым она объединена.

Устройство, понижающее напряжение по изобретению, удовлетворяет согласно любому из предпочтительных способов выполнения, по меньшей мере, одному из следующих отличительных признаков:
- питание указанных первичных и вторичных обмоток главного трансформатора тяги осуществляется квадратурным переменным напряжением с такой частотой, чтобы магнитная цепь главного трансформатора тяги Т не была насыщена,
- указанные однофазные выпрямители действуют как контролируемые выпрямители, повышающие напряжение, регулируют их постоянное выходное напряжение до величины, немного выше половины величины входного напряжения.

И наконец в соответствии с другим отличительным признаком, в настоящем изобретении раскрыта цепь асинхронной тяги, питаемая от однофазной цепи, включающей вышеуказанное устройство, понижающее напряжение.

Преимущество заявленного устройства, понижающего напряжение заключается в том, что оно призвано заменить последовательно-параллельные преобразователи постоянного тока.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:
- фиг. 1 изображает схему предпочтительного варианта выполнения устройства, понижающего напряжение, с гальванической изоляцией согласно изобретению,
- фиг. 2 - схему предпочтительного варианта выполнения устройства, понижающего напряжение, без гальванической изоляции согласно изобретению,
- фиг. 3 - увеличенный вид устройства, понижающего напряжение, изображенного на фиг. 2 с устройством, понижающим напряжение, содержащим шесть однофазных выпрямителей.

Как следует из фиг. 1, первый 1 и второй 2 однофазный выпрямитель с принудительной коммутацией запитываются последовательно при входном напряжении E, например, 3000 В.

Первый 1 и второй 2 однофазный выпрямители запитывают, соответственно, первую 3 и вторую 4 вторичную обмотки главного трансформатора Т тяги.

Первый и второй однофазные выпрямители действуют синхронно как инвертор напряжения.

Первый и второй однофазные выпрямители питают первую и вторую вторичные обмотки 3, 4 главного трансформатора тяги, например, через квадратурное переменное напряжение в например, величиной 3000 В/2 с такой частотой, чтобы магнитная цепь главного трансформатора тяги Т не была бы насыщенной.

Третий однофазный выпрямитель 6 с принудительной коммутацией запитывается посредством третьей вторичной обмотки 5 главного трансформатора тяги Т.

Указанный третий однофазный выпрямитель 6 функционирует как управляемый выпрямитель, повышающий напряжение, согласно тому же принципу, как и в случае однофазной сети и таким образом регулирует его выходное постоянное напряжение до величины - несколько большей 3000 В/2.

Главный трансформатор Т содержит первичную обмотку 7 в разомкнутой цепи, следовательно первичная обмотка - не используется.

Ранее предполагалось, что все три вторичных обмотки главного трансформатора тяги имели одно и то же число витков, что используется, например на железнодорожном транспорте.

Промежуточное постоянное напряжение изолируется гальванически и пригодно для подсоединения к массе М, как в случае однофазной сети.

Устройство управления (не представленное), встроенное в электронные схемы управления первого и второго однофазных выпрямителей обладает функцией, с одной стороны, уравновешивания напряжения между однофазными выпрямителями, а, с другой стороны, изолирования от постоянного тока в первой и второй вторичных обмотках.

Указанное устройство, интегрированное в электронные схемы управления первого и второго однофазных выпрямителя, способно скорректировать отклонения, воздействуя на цикличное соотношение проводимости полупроводников первого и/или второго однофазного выпрямителя.

Заявленное устройство, содержащее первичную обмотку главного трансформатора в разомкнутой цепи позволяет:
- формировать только одно постоянное напряжение на выходе, которое всегда может быть подсоединено к массе,
- формировать единственное напряжение с гальванической изоляцией или без гальванической изоляции,
- избежать изоляции от входного напряжения оборудования, питаемого постоянным напряжением и
- избежать использования дополнительных дросселей фильтра, как в случае применения устройств известного уровня техники.

На фиг. 2 изображена схема предпочтительного варианта выполнения устройства, понижающего напряжение без гальванической изоляции согласно изобретению.

Первый 1 и второй 6 однофазный выпрямитель с принудительной коммутацией зачитываются последовательно при входном напряжении E, например, 3000 В.

Первый однофазный выпрямитель 1 с принудительной коммутацией имеет ту же функцию, как первый однофазный выпрямитель, описанный выше в соответствии с фиг. 1.

Первый однофазный выпрямитель 1 запитывает первую вторичную обмотку главного трансформатора тяги Т.

Напомним, что первый однофазный выпрямитель 1 работает как генератор колебаний и обеспечивает квадратурное переменное напряжение например, величиной - 3000 В/2 на первую вторичную обмотку 3 главного трансформатора тяти.

Второй однофазный выпрямитель 6 с принудительной коммутацией питается посредством второй вторичной обмотки 5 главного трансформатора тяги Т.

Указанный второй однофазный выпрямитель 6 функционирует как управляемый выпрямитель, повышающий напряжение, по тому же самому принципу, как и в случае однофазной сети и регулирует выходное напряжение S, подсоединенное к массе М с величиной, например, немного более 3000 В/2.

Главный трансформатор Т содержит первичную обмотку 7 в разомкнутой цепи, следовательно, первичная обмотка является неиспользованной.

Устройство управления (не представленное) первого однофазного выпрямителя 1 выполняет исключительно функцию обеспечения отсутствия постоянного тока в первой вторичной обмотке.

Управляющее устройство (не представленное) второго однофазного выпрямителя имеет функцию - регулировать выходное напряжение S.

На фиг. 3 изображено в увеличенном масштабе устройство, понижающее напряжение, представленное на фиг. 2 с устройством, понижающим напряжение, содержащим шесть однофазных выпрямителей.

На фиг. 3 изображены три пары однофазных выпрямителя 1, 6 с принудительной коммутацией, причем каждая из пар однофазных выпрямителей запитывается входным напряжением E, например, 3000 B.

Каждый из первых однофазных выпрямителей 1 соединен с первой вторичной обмоткой 3, а каждый из вторых выпрямителей 6 соединен со второй вторичной обмоткой 5.

Первые однофазные выпрямители 1 запитывают каждый первую вторичную обмотку 3 такого же главного трансформатора тяги Т.

Вторые однофазные выпрямители 6 действуют как контролируемый выпрямитель, повышающий напряжение, и регулируют то же самое выходное напряжение S, соотносящееся с массой М, при величине, например, немного больше 3000 В.

Главный трансформатор Т содержит первичную обмотку 7 в разомкнутой цепи, следовательно, первичная обмотка - не использована.

Из вышеизложенного следует, что устройство, понижающее напряжение согласно изобретению содержит, по меньшей мере, пару однофазных выпрямителей 1, 2 или 1, 6 с принудительной коммутацией, действующих на вторичные обмотки 3, 4 или 3, 5 главного трансформатора Т тяги, причем мощность из сети постоянного тока переходит через главный трансформатор тяги Т, при этом энергия регенирируется на первичной обмотке 5 посредством однофазного выпрямителя 6 с принудительной коммутацией, функционирующего как управляемый выпрямитель, повышающий напряжение, при этом другие однофазные выпрямители 1, 2 с принудительной коммутацией работают синхронно как инвертор напряжения.

Устройство, понижающее напряжение согласно изобретению, может найти применение на железнодорожном транспорте.

Изобретение относится к устройству, понижающему напряжение, содержащему по меньшей мере пару однофазных выпрямителей с принудительной коммутацией, работающих на вторичные обмотки главного трансформатора тяги, причем мощность из постоянной цепи проходит через указанный главный трансформатор тяги, а указанная энергия рекуперируется на вторичной обмотке посредством однофазного выпрямителя с принудительной коммутацией, работающего как контролируемый выпрямитель, повышающий напряжение, причем однофазные выпрямители с принудительной коммутацией работают синхронно как инвертор напряжения. Технический результат - уменьшение массогабаритных показателей. Изобретение относится также к цепи асинхронной тяги, питаемой от однофазной сети, содержащей такое устройство, понижающее напряжение, как это описано ранее. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для понижения напряжения, содержащее по меньшей мере два однофазных выпрямителя с принудительной коммутацией, при этом по меньшей мере один из однофазных выпрямителей с принудительной коммутацией запитывается входным напряжением и функционирует как инвертор напряжения, а другие однофазные выпрямители с принудительной коммутацией функционируют как управляемые выпрямители, повышающие напряжение, отличающееся тем, что каждый из однофазных выпрямителей с принудительной коммутацией соединен с соответствующей вторичной обмоткой главного трансформатора тяги, первичная обмотка которого является разомкнутой цепью, при этом энергия рекуперируется на вторичной обмотке посредством другого однофазного вырямителя с принудительной коммутацией, функционирующего как управляемый выпрямитель, повышающий напряжение. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй однофазные выпрямители с принудительной коммутацией функционируют синхронно как преобразователи подводимого напряжения и запитывают соответственно первую и вторую вторичные обмотки главного трансформатора тяги, а третий однофазный выпрямитель с принудительной коммутацией функционирует как управляемый выпрямитель, повышающий напряжение, и запитывается посредством третьей вторичной обмотки главного трансформатора тяги. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что первая, вторая и третья вторичные обмотки главного трансформатора тяги имеют одно и то же число витков. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере одну пару однофазных выпрямителей, установленных последовательно, каждая пара содержит первые и вторые однофазные выпрямители и запитывается входным напряжением, при этом первые однофазные выпрямители функционируют синхронно как инверторы напряжения и запитывают первую вторичную обмотку главного трансформатора тяги, с которым она соединена, а вторые однофазные выпрямители с принудительной коммутацией функционируют как управляемые выпрямители, повышающие напряжение, и запитываются через вторую вторичную обмотку главного трансформатора тяги. 5. Устройство по п.2 или 4, отличающееся тем, что запитывание первых и вторых вторичных обмоток указанного главного трансформатора тяги осуществляется посредством переменного напряжения с такой частотой, которая исключает насыщение магнитной цепи главного трансформатора тяги. 6. Устройство по любому из пп.1, 2, 4 и 5, отличающееся тем, что указанные однофазные выпрямители функционируют как управляемые выпрямители, повышающие напряжение, регулируют постоянное напряжение на выходе до величины, несколько превышающей половину величины входного напряжения. 7. Цепь асинхронной тяги, питаемая от однофазной сети, содержащая устройство для понижения напряжения по любому из пп.1 - 6.