ДЕМПФИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2010 года по МПК H02M1/44 

Изобретение относится к демпфирующему элементу.

Тяговые выпрямители переменного тока для электрических локомотивов часто содержат выпрямители переменного тока с несколькими распределенными промежуточными контурами напряжения. Эквивалентная схема такого тягового выпрямителя переменного тока подробно показана на Фиг.1. На этой эквивалентной схеме каждый выпрямитель 2 или 4 переменного тока имеет выпрямитель 6 или 8 переменного тока соответственно стороны сети и стороны нагрузки. В качестве выпрямителя 6 переменного тока стороны сети предусмотрен так называемый четырехквадрантный исполнительный элемент (4QS), причем в качестве выпрямителя 8 переменного тока стороны нагрузки предусмотрен автономный выпрямитель импульсного тока. Со стороны постоянного напряжения эти оба выпрямителя 6 и 8 переменного тока каждого из выпрямителей 2 и 4 переменного тока тягового выпрямителя переменного тока посредством конденсатора 10 или 12 промежуточного контура, который может состоять из множества конденсаторов, включены электрически параллельно. Эти конденсаторы 10 или 12 промежуточной цепи тягового выпрямителя переменного тока посредством электрических соединений 14 и 16, в частности токовых шин, электрически соединены между собой и с выводами стороны выпрямленного напряжения каждого из выпрямителей 2 и 4 переменного тока тягового выпрямителя переменного тока. Электрически параллельно этим конденсаторам 10 или 12 промежуточного контура включен вентильный преобразователь 18 переменного тока вспомогательного режима. Для этого в соединительном проводнике 20 вентильного преобразователя 18 переменного тока вспомогательного режима находится силовой выключатель 22. Электрически параллельно к выводам стороны выпрямленного напряжения вентильного преобразователя 18 переменного тока вспомогательного режима включен конденсатор 24. Также электрически параллельно к конденсаторам 10 или 12 промежуточного контура выпрямителей 6 и 8 переменного тока включен поглощающий контур 26, который выполнен как последовательный колебательный контур и настроен на верхние гармоники промежуточного контура. Для этого данный поглощающий контур 26, в числе прочего, содержит конденсатор 28. Из этой эквивалентной схемы также можно видеть, что соединение 14 между обоими выпрямителями 2 и 4 переменного тока тягового выпрямителя переменного тока может быть разъединено так, что поглощающий контур 26 остается электрически параллельно включенным конденсатору 10 или 12 выпрямителя 2 или 4 переменного тока. Поэтому в соединении 14 размещены два силовых выключателя 30 и 32.

Через электрические соединения 14 и 16, в частности токовые шины, протекает постоянный ток для передачи энергии между промежуточными контурами напряжения обоих выпрямителей 2 и 4 переменного тока тягового выпрямителя переменного тока. Так как выпрямитель 6 переменного тока стороны сети каждого из выпрямителей 2 и 4 переменного тока тягового выпрямителя переменного тока выполнен однофазным, то в электрических соединениях 14 и 16 дополнительно протекает ток с двойной сетевой частотой. За счет индуктивностей рассеивания электрических соединений 14 и 16 во взаимосвязи с конденсаторами 10 или 12 промежуточного контура и конденсаторами 24 и 28 возникает колебательный контур более высокого порядка. Этот колебательный контур при каждом процессе переключения вентиля выпрямителя переменного тока соответствующего выпрямителя 2 или 4 переменного тока в промежуточном контуре напряжения тягового выпрямителя переменного тока возбуждается и приводит к слабозатухающим и высокочастотным токам между промежуточными контурами напряжения. Эти токи ведут к термической дополнительной нагрузке конденсаторов 10 и 12 промежуточного контура и конденсатора 24 вентильного преобразователя 18 переменного тока вспомогательного режима.

На Фиг.2 на диаграмме по частоте показаны отдельные токи i_C2, i_C4, i_CH и i_CS. Из этого представления можно видеть, для всех конденсаторов 10, 12, 24 и 28 выпрямителей 2, 4 и 18 переменного тока и поглощающего контура 26 происходит усиление тока при возбуждении колебательного контура более высокого порядка. На частоте, меньшей, чем резонансная частота, частотные составляющие на этих конденсаторах 10, 12, 24 и 28 распределяются одинаково. На резонансной частоте конденсаторные токи i_C2, i_C4, i_CH и i_CS усиливаются, причем на частоте, большей, чем резонансная частота, конденсаторные токи i_C2, i_C4, i_CH и i_CS в различной степени затрагиваются возбуждением.

Из ЕР 1 450 475 А1 известно решение, с помощью которого колебания в промежуточном контуре напряжения вентильного преобразователя переменного тока промежуточного контура напряжения могут ослабляться. Это решение предусматривает демпфирующую схему, которая включена электрически параллельно каждому накопителю энергии этого вентильного преобразователя переменного тока промежуточного контура напряжения. Эта демпфирующая схема состоит из конденсатора и сопротивления, соединенного последовательно с этим конденсатором. Чтобы достичь хорошего действия этой демпфирующей схемы, соединения с конденсатором промежуточного контура выполнены низкоиндуктивными. Для отвода мощности потерь сопротивление этой демпфирующей схемы предпочтительно имеет собственную систему охлаждения сопротивления. Кроме того, предпочтительно, если значение конденсатора демпфирующей схемы на порядок величины от 1,5- до 50-кратной больше, чем значение конденсатора промежуточного контура напряжения. Посредством этой демпфирующей схемы можно снизить колебание тока в пути колебаний, а также электрическую и термическую нагрузку конденсаторов и других компонентов вентильного преобразователя переменного тока промежуточного контура напряжения.

На Фиг.3 более подробно показана эквивалентная схема тягового выпрямителя переменного тока согласно Фиг.1 с двумя схемами 34 и 36 демпфирования из ЕР 1 450 475 А1. Согласно ЕР 1 450 475 А1, схема 34 или 36 демпфирования должна включаться электрически параллельно конденсатору промежуточного контура вентильного преобразователя переменного тока промежуточного контура напряжения. Электрически параллельно конденсатору 10 или 12 включена схема 34 или 36 демпфирования. Схема 34 или 36 демпфирования имеет конденсатор 38 или 40 и сопротивление 42 или 44, которые включены электрически последовательно.

На Фиг.4 на диаграмме по частоте f показаны отдельные конденсаторные токи i_C2, i_C4, i_CH и i_CS. Чтобы иметь возможность распознать действие обеих схем 34 и 36 демпфирования, характеристики тока по Фиг.2 и ослабленные характеристики тока совместно представлены на этой диаграмме. Штриховые характеристики показывают характеристики тока i_C2, i_C4, i_CH и i_CS с ослаблением. При частотах f ниже резонансной частоты эти схемы 34 и 36 демпфирования не демонстрируют никакого действия. Также на резонансной частоте действие схем 34 и 36 демпфирования ограничено.

В основе изобретения лежит задача дополнительно усовершенствовать известный выпрямитель переменного тока с несколькими распределенными промежуточными контурами напряжения таким образом, что, с одной стороны, высокочастотные токи ослабляются, однако мощность потерь получается меньшей.

Эта задача решается тем, что соответствующий изобретению демпфирующий элемент встроен в известный выпрямитель переменного тока с несколькими распределенными промежуточными контурами напряжения.

За счет того, что соответствующий изобретению демпфирующий элемент имеет два пути тока, а именно один для высокочастотной составляющей тока, а другой для выпрямленного тока и составляющей тока двойной частоты, каждый путь тока может быть оптимизирован независимо один от другого. Путь тока для высокочастотной составляющей тока является низкоиндуктивным, но снабжен высоким электрическим сопротивлением, а путь тока для выпрямленного тока и составляющей тока двойной частоты является более высокоиндуктивным и снабжен меньшим электическим сопротивлением. За счет этого, с одной стороны, ослабляется высокочастотная составляющая тока, а с другой стороны, выпрямленный ток и составляющая тока двойной частоты лишь минимально ограничиваются, за счет чего мощность помех в промежуточном контуре напряжения известного выпрямителя переменного тока с несколькими распределенными промежуточными контурами напряжения возрастает лишь в незначительной степени.

Чтобы реализовать два пути тока с этими различными условиями, для первого пути тока выбирается электрически не хорошо проводящий материал, а для второго пути тока выбирается электрически хорошо проводящий материал. В качестве электрически не хорошо проводящего материала предусмотрена высококачественная сталь, а для электрически хорошо проводящего материала предусмотрена медь. Для того чтобы первый путь был по возможности низкоиндуктивным, в соответствии с изобретением предусматриваются два участка шин, которые пространственно проходят параллельно с минимальным расстоянием друг от друга. В противоположность этому второй путь тока состоит из двух участков проводника, которые, соответственно, включены электрически параллельно участку шины.

Так как этот соответствующий изобретению демпфирующий элемент имеет два пространственно параллельных, проходящих с минимальным расстоянием друг от друга участка шины, он может без труда быть интегрирован в проводку промежуточного контура напряжения выпрямителя переменного тока с несколькими распределенными промежуточными контурами напряжения.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления соответствующего изобретению демпфирующего элемента следуют из зависимых пунктов.

Для дальнейшего объяснения изобретения ссылки даются на чертежи, на которых представлена форма выполнения соответствующего изобретению демпфирующего элемента.

Фиг.1 показывает эквивалентную схему выпрямителя переменного тока с несколькими распределенными промежуточными контурами напряжения,

на Фиг.2 показаны на графике в зависимости от частоты различные конденсаторные токи выпрямителя переменного тока по Фиг.1,

Фиг.3 показывает эквивалентную схему выпрямителя переменного тока по Фиг.1 с известными демпфирующими схемами, причем

на Фиг.4 на графике в зависимости от частоты показаны различные конденсаторные токи выпрямителя переменного тока по Фиг.3,

Фиг.5 показывает демпфирующий элемент согласно изобретению,

Фиг.6 показывает эквивалентную схему выпрямителя переменного тока по Фиг.1 с демпфирующим элементом по Фиг.5 и

на Фиг.7 на графике в зависимости от частоты показаны конденсаторные токи выпрямителя переменного тока по Фиг.6.

Согласно Фиг.5, демпфирующий элемент согласно изобретению имеет два участка 46 и 48 шины и два участка 50 и 52 проводника, причем соответствующий участок 46 или 48 шины и участок 50 или 52 проводника включены электрически параллельно. Эти оба участка 46 и 48 шины расположены пространственно параллельно с минимальным расстоянием друг от друга. Значение этого расстояния определяется предельными значениями для воздушного разрядного промежутка и промежутка скользящего разряда. Соответствующий участок 46 или 48 шины и участок 50 или 52 проводника включены электрически параллельно. В зависимости от желательного значения для индуктивности участка 50 или 52 проводника и, тем самым, для второго пути тока этот участок 50 или 52 проводника выполнен как катушка с, по меньшей мере, одним витком, в частности как воздушная катушка. Каждый конец участка 50 или 52 проводника имеет контактный вывод 54, 56 или 58, 60, которые электропроводно соединены с участками 46 и 48 шины. Участки 46 и 48 шины выполнены из высококачественной стали, благодаря чему путь тока через эти участки 46 и 48 шины имеет более высокое значение электрического сопротивления. Расстояние между этими обоими участками 46 и 48 шины определяет значение индуктивности пути тока через эти участки 46 и 48 шины. Для участков 50 и 52 проводника предусмотрены медные сплавы, в частности ленточные проводники из меди. Благодаря этому путь тока через эти участки 50 и 52 проводника имеет меньшее значение сопротивления. Благодаря такому выполнению демпфирующего элемента получают два пути тока, причем первый путь тока является низкоиндуктивным и имеет повышенное сопротивление, а второй путь тока является более высокоиндуктивным и имеет пониженное электрическое сопротивление.

За счет такого выполнения демпфирующего элемента через первый путь тока протекает высокочастотная составляющая тока промежуточного контура тока, в то время как составляющая выпрямленного тока и составляющая тока двойной сетевой частоты протекают через второй путь тока. Так как только первый путь тока имеет повышенное электрическое сопротивление, только составляющая тока, протекающая через этот путь тока, ослабляется. Составляющая тока, которая протекает для передачи энергии между обоими промежуточными контурами напряжения выпрямителя переменного тока с несколькими распределенными промежуточными контурами напряжения, остается незатронутой этим, так как она благодаря соответствующему изобретению выполнению демпфирующего элемента протекает только через второй путь тока. За счет применения участков 46 и 48 шины для одного участка тока демпфирующего элемента согласно изобретению этот демпфирующий элемент может без высоких затрат интегрироваться в проводку промежуточного контура напряжения выпрямителя переменного тока с несколькими распределенными промежуточными контурами напряжения, причем электрические контактные выводы 54, 58 и 56, 60, соответственно, создают электрическое соединение между участками 46 и 48 шины и соответствующими шинами тока проводки промежуточного контура напряжения выпрямителя переменного тока с несколькими распределенными промежуточными контурами напряжения.

Эквивалентная схема выпрямителя переменного тока с двумя распределенными промежуточными контурами напряжения и демпфирующего элемента согласно изобретению более подробно показана на Фиг.6. На этой эквивалентной схеме оба пути тока демпфирующего элемента согласно изобретению представлены отдельно. Путь 62 тока с меньшим сопротивлением и большей индуктивностью может проходиться токами с низкими частотами, в то время как путь 64 тока с большим сопротивлением и меньшей индуктивностью может проходиться только токами с повышенными частотами. За счет этого только составляющая тока с повышенными частотами ослабляется.

На Фиг.7 на графике в зависимости от частоты показаны конденсаторные токи i_C2, i_C4, i_CH и i_CS выпрямителя переменного тока с демпфирующим элементом согласно изобретению. Ослабленные характеристики тока для конденсаторных токов i_C2, i_C4, i_CH и i_CS нанесены штрихами. По сравнению с формой выполнения выпрямителя переменного тока с двумя распределенными промежуточными контурами напряжения и двумя демпфирующими схемами 34 и 36 при этой форме выполнения этого выпрямителя переменного тока с демпфирующим элементом согласно изобретению составляющая тока с повышенной частотой ослабляется значительно больше. За счет этого конденсаторы 10, 12, 24 и 28 существенно меньше дополнительно нагружаются термически, благодаря чему соответствующие емкости конденсаторов 10, 12, 24 и 28 по отношению к эффективному току промежуточного контура напряжения выпрямителя переменного тока с двумя распределенными промежуточными контурами напряжения больше не должны рассчитываться с большим запасом.

Изобретение относится к демпфирующему элементу. В соответствии с изобретением этот демпфирующий элемент имеет два участка (46, 48) шины и два участка (50, 52) проводника, причем соответствующий участок (46, 48) шины и участок (50, 52) проводника включены электрически параллельно, причем эти участки (46, 48) шины размещены пространственно на расстоянии параллельно друг другу, и причем участки (50, 52) проводника состоят, соответственно, из электрически хорошо проводящего, а участки (46, 48) шины - из электрически не хорошо проводящего материала. Тем самым обеспечивается технический результат - в выпрямителе переменного тока с распределенными промежуточными контурами напряжения высокочастотные токи существенно ослабляются, при этом мощность потерь в промежуточном контуре напряжения заметно не возрастает, благодаря чему конденсаторы (10, 12, 24, 28) выпрямителя переменного тока с распределенными промежуточными контурами напряжения по отношению к эффективному току промежуточного контура напряжения этого выпрямителя переменного тока больше не должны рассчитываться с большим запасом. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Демпфирующий элемент с двумя элементами (46, 48) шины и двумя элементами (50, 52) проводника, причем соответствующие элемент (46, 48) шины и элемент (50, 52) проводника включены электрически параллельно, причем эти элементы (46, 48) шины размещены в пространстве параллельно на некотором расстоянии друг относительно друга и при этом элементы (50, 52) проводника состоят соответственно из электрически хорошо проводящего, а элементы (46, 48) шины - из электрически плохо проводящего материала.

2. Демпфирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что элемент (50, 52) проводника имеет катушку с, по меньшей мере, одним витком.

3. Демпфирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что каждый элемент (50, 52) проводника на своих концах имеет, соответственно, соединительный элемент (54, 56; 58, 60), который электропроводно связан с соответствующим элементом (46, 48) шины.

4. Демпфирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что элемент (50, 52) проводника представляет собой ленточный проводник.

5. Демпфирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что хорошо проводящий материал представляет собой медь.

6. Демпфирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что электрически плохо проводящий материал представляет собой высококачественную сталь.