АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ГАРМОНИЧЕСКИХ ТОКОВ Российский патент 2012 года по МПК H02M1/15 

Настоящее изобретение относится к активному устройству компенсации гармонических токов главного тока, предназначенному для параллельного подключения к входной схеме преобразователя и содержащему:

- датчик тока питания;

- генератор тока, выполненный с возможностью подачи тока на вход преобразователя в зависимости от силы гармонического тока, измеренного датчиком тока.

В области железнодорожного транспорта, в частности в электровозах, получающих питание от контактной линии, возврат тока происходит через железнодорожный путь. Необходимо, чтобы сила входных токов, без главного тока питания двигателей, была ограниченной. В частности, поскольку некоторые сигналы системы сигнализации передаются по рельсам, обычно на частоте 50 Гц, если электровоз питается постоянным током, необходимо, чтобы электровоз имел большое полное входное сопротивление, по меньшей мере, для этой частоты 50 Гц.

Такие же требования необходимо соблюдать, если ток питания электровоза является переменным с частотой, например, 50 Гц и сигналы сигнализации передаются по рельсам с частотами, отличными от 50 Гц, такими как 75 Гц.

Как известно, в электровозах используют большие катушки, позволяющие повышать полное входное сопротивление для частоты, по меньшей мере, 50 Гц в случае питания постоянным током. Эти катушки являются очень громоздкими, и накапливаемая в них энергия является очень большой, хотя эта энергия и не используется. Кроме того, катушка рассеивает много энергии, обычно порядка нескольких кВт.

Чтобы избежать использования таких катушек, как известно, применяют активные устройства компенсации.

Первое решение состоит в добавлении отрицательного напряжения, равного входному напряжению, путем последовательного подключения на входе преобразователя. Точно так же, известно подключение, параллельно с преобразователем, генератора тока, выполненного с возможностью генерирования тока со знаком, противоположным току, входящему в преобразователь, для частот, отличающихся от частоты тока питания.

Недостатком этих решений является то, что они требуют наличия чрезвычайно сложной логической схемы управления, управляющей элементами коммутации, работающими на высокой частоте и создающими помехи.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание активного устройства компенсации гармонических токов главного тока, которое является простым в применении и ограничивает появление помех.

В этой связи объектом настоящего изобретения является активное устройство компенсации вышеуказанного типа, характеризующееся тем, что генератор тока выполнен с возможностью генерирования и подачи на вход преобразователя, кроме гармонического тока, тока, в k раз превышающего гармонический ток, измеренный датчиком тока, при этом k является положительным.

Согласно частным вариантам выполнения, устройство компенсации характеризуется одним или несколькими следующими признаками:

- генератор тока выполнен с возможностью генерирования и подачи на вход преобразователя тока, пропорционального силе гармонического тока, измеренного датчиком тока;

- датчик тока выполнен с возможностью измерения только переменных составляющих тока, за исключением главной составляющей тока, постоянного или переменного в зависимости от варианта применения по постоянному току;

- датчик тока выполнен с возможностью исключения из измерения тока с частотой, равной заранее определенной частоте, соответствующей частоте тока питания;

- датчик тока содержит запирающий фильтр;

- генератор тока содержит усилитель класса А;

- усилитель содержит транзистор, источник постоянного напряжения поляризации и дроссельную катушку, соединяющую транзистор с генератором напряжения поляризации;

- генератор тока содержит предусилитель, соединяющий датчик тока с транзистором и обеспечивающий усиление с коэффициентом, в k раз превышающим значение сопротивления резистора, соединяющего транзистор с массой; и

- генератор тока содержит усилитель класса В.

Объектом настоящего изобретения является также силовая цепь для электровоза, содержащая, по меньшей мере, один электрический двигатель, силовой преобразователь, питаемый через токосъемные средства, и описанное выше активное устройство компенсации гармонических токов, установленное параллельно между токосъемными средствами и преобразователем.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схема силовой схемы электровоза в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.2 - принципиальная схема работы схемы, показанной на фиг.1;

Фиг.3 - вид, аналогичный фиг.1, для варианта осуществления;

Фиг.4 - вид, аналогичный фиг.1, для варианта осуществления, работающего от переменного тока.

На фиг.1 показана силовая цепь 12 железнодорожного тягового транспортного средства, такого как электровоз или головной вагон метропоезда.

Силовая цепь 12 содержит силовую схему 16, питаемую от токосъемных средств 18, и систему двигателей 20, обеспечивающую движение транспортного средства, причем эти двигатели питаются через силовую схему 16.

В частности, токосъемные средства 18 содержат пантограф 22, питающий силовую линию 23 и выполненный с возможностью отбора постоянного тока из контактной линии 24, находящейся над железнодорожными путями. Напряжение постоянного тока в контактной линии составляет, например, 1,5 кВ или 3 кВ. Ведущее колесо 26, находящееся в контакте с железнодорожным путем, обеспечивает возврат тока и замыкание схемы. Оно соединено с массой 27 схемы.

Двигатели 20 являются, например, двигателями трехфазного переменного тока, поступающего от преобразователя 28. Этот преобразователь выполнен с возможностью приема постоянного тока питания на своих входных контактах 28А,

28В и обеспечения преобразования постоянного тока питания, поступающего от контактной линии, в трехфазный переменный ток, предназначенный для питания.

Преобразователь оборудован, например, системой регулирования типа ШИМ, то есть с широтно-импульсной модуляцией.

Как известно, перед преобразователем 28 установлен фильтр LC, получающий ток от контактной линии 24 через силовую линию 23. Фильтр LC содержит катушку 30, установленную последовательно между входным пантографом 22 и первым входом 28А инвертора. Конденсатор 32 фильтра LC установлен параллельно между входными контактами 28А, 28В преобразователя 28.

Активное устройство 40 компенсации гармонических токов тока питания установлено в силовой схеме 16 между фильтром LC 30, 32 и токосъемными средствами 18.

Упрощенная принципиальная схема устройства 40 показана на фиг.2. На этой фигуре фильтр LC, преобразователь 28 и двигатели 20 схематично показаны в виде блока нагрузки 42 с полным сопротивлением Z.

На этой схеме устройство 40 содержит датчик 44 переменного тока, то есть датчик измерения силы гармонических токов в линии 23, отличных от постоянного тока, предназначенного для питания. Оно содержит также генератор 46 тока, параллельно соединенный с блоком нагрузки 42.

Генератор 46 тока управляется датчиком 44 для генерирования и подачи на вход блока нагрузки 42 тока, сила которого зависит от силы тока, измеренной датчиком 44, и, по меньшей мере, в два раза превышает силу тока, измеренного датчиком 44. Предпочтительно подаваемый ток пропорционален с коэффициентом k току питания, отфильтрованному от его постоянной составляющей, при этом k является положительным и предпочтительно составляет от 10 до 50.

Таким образом, для входного тока, лишенного постоянной составляющей и обозначенного I_in, генератор 46 тока может генерировать ток, имеющий силу kI_in. Следовательно, эквивалентное полное сопротивление Z_in силовой цепи со стороны контактной линии равно Z_in=(1+k)Z.

Предпочтительно источник 46 тока содержит линейный усилитель и, в частности, усилитель класса А.

Как показано на фиг.1, датчик 44 тока предусмотрен на силовой линии 23 между входным пантографом 22 и катушкой 30 фильтра LC. Конденсатор 52 соединен с датчиком 44 тока и последовательно соединен с предусилителем 54, выполненным с возможностью создания напряжения, характеризующего переменный ток, измеряемый датчиком 44. Конденсатор 52 обеспечивает подавление постоянной составляющей измеряемого тока.

Генератор 46 тока содержит транзистор 56, база которого соединена с предусилителем 54. Эмиттер транзистора 56 соединен через резистор 58 с массой 27, обеспечивая возврат тока через колесо 26. Коллектор транзистора 56 соединен с силовой линией 23 через фильтровый конденсатор 60.

Кроме того, генератор 46 тока содержит генератор 62 постоянного напряжения, один контакт которого соединен с коллектором транзистора 56 для обеспечения его поляризации. Дроссельная катушка 64 установлена между источником 62 напряжения и коллектором транзистора 56. В варианте эту дроссельную катушку можно заменить активным источником тока, если развязка является критической.

Предусилитель 54 имеет заданную функцию передачи, обеспечивающую предварительное усиление тока, измеряемого датчиком 44, и выполнен, в частности, с возможностью преобразования входного тока I_in в напряжение, равное kRI_in, в частотном диапазоне, в котором k зависит от частоты.

Частотный диапазон лежит между минимальной частотой f_min и максимальной частотой f_max.

f_min выбирают больше порогового значения 1. Пороговое значение 1 составляет порядка нескольких герц, его выбирают таким образом, чтобы не происходило усиления естественных колебаний входного тока, появляющихся в результате колебаний нагрузки. Например, f_min=10 Гц.

f_max выбирают меньше порогового значения 1. Пороговое значение 2 составляет порядка нескольких сот кГц. Учитывая, что система является замкнутой системой, следует избегать умножения тока сверх определенной частоты, так как в этом случае возможна дестабилизация системы (колебания).

Предпочтительно, в зависимости от частоты k составляет от 10 до 50.

В варианте выполнения конденсатор 52 включен в датчик 44 тока или в предусилитель 54. Датчик тока является, например, трансформатором силы тока.

Входной ток I_in измеряют и преобразуют в виде напряжения при помощи предусилителя 54 с активной динамической проводимостью kR. Это напряжение подается на базу транзистора 56. Ток в резисторе 58 в этом случае имеет силу, равную kRI_in/R, то есть kI_in. Этот переменный ток с силой k_in, присутствующий на уровне коллектора, подается в силовую линию 23 на выходе соединения 44 измерения тока.

Для нормальной работы катушка 64 индуктивности обеспечивает развязку по переменному току по отношению к источнику 62 поляризации транзистора.

Место измерения тока 44, перед точкой подачи тока, произведенного генератором 46 тока, гарантирует, что ток, генерируемый устройством 40 компенсации, полностью потребляется блоком нагрузки 42, независимо от полного сопротивления источника питания, являющегося в данном случае контактной линией. Таким образом, эта схема является очень надежной.

Понятно, что такая схема повышает входное полное сопротивление силовой цепи и позволяет, таким образом, избежать появления гармонических токов, учитывая очень высокое полное сопротивление силовой цепи.

Таким образом, схема понижает полное сопротивление источника с коэффициентом (1+k). Эта система повышает, таким образом, полное сопротивление источника на полное сопротивление нагрузки с коэффициентом (1+k)², что является очень благоприятным с точки зрения стабильности линии. Полное сопротивление источника является сопротивлением со стороны входного фильтра с точки зрения его входа, то есть полным сопротивлением контактной сети. Полное сопротивление нагрузки является сопротивлением входного фильтра со стороны контактной линии, то есть на самом деле полным сопротивлением поезда.

Такая схема обеспечивает увеличение значения входного полного сопротивления с очень ограниченным числом компонентов. С точки зрения нагрузки полное сопротивление источника значительно уменьшается, что делает ее более надежной и стойкой к колебаниям. Управляющая электроника является простой, надежной и неприхотливой в работе, что обеспечивает очень высокую надежность.

Такое устройство компенсации можно установить параллельно без размыкания главной схемы питания. Кроме того, такое устройство не создает высокочастотных коммутационных помех. Его работа остается эффективной в очень широком частотном диапазоне, который ограничен только шириной диапазона датчика тока.

На фиг.3 показан вариант выполнения устройства, показанного на фиг.1, в котором усилитель тока класса А, показанный на фиг.1, заменен усилителем класса В. В этом варианте выполнения элементы, идентичные или соответствующие элементам на фиг.1, обозначены такими же цифровыми позициями.

В этом варианте выполнения источник 46 тока содержит два транзистора 76, 78, установленные последовательно, обе базы которых соединены с предусилителем 54.

Между эмиттером и коллектором каждого транзистора установлен диод 80, 82. Точно так же, два источника 84, 86 напряжения поляризации соединены с одной стороны с массой 27 и с другой стороны соответственно с эмиттером и с коллектором транзисторов 76 и 78. Центральная точка, в которой соединены оба транзистора 76 и 78, соединена с контактом резистора 88, аналогичного резистору 58. Этот резистор последовательно соединен с катушкой 90 и с конденсатором 92 и, через них, - с силовой линией 63 между датчиком 44 и фильтром LC 30, 32.

Использование усилителя класса В позволяет уменьшить рассеяние мощности, так как усилитель класса В не рассеивает мощность в состоянии покоя. Кроме того, становится возможной защита транзисторов за счет использования установленных параллельно диодов 80, 82.

На фиг.4 показан еще один вариант выполнения схемы, показанной на фиг.1, в случае питания переменным током. В этом варианте выполнения предполагается, что контактная линия подает переменный ток с частотой 50 Гц, и предполагается также, что сигналы сигнализации передаются на частоте 75 Гц.

В этом варианте выполнения конденсаторы связи 52 и 60, показанные на фиг.1 и 3 и предназначенные для подавления постоянной составляющей тока питания, заменены запирающими фильтрами, образованными, как известно, конденсатором 152 и 160 соответственно и параллельно установленной катушкой 162 и 170 соответственно. Каждый запирающий фильтр настраивают на частоту 50 Гц таким образом, чтобы отфильтровывать частоту 50 Гц и пропускать другие частоты.

Следует отметить, что, как и в предыдущем случае, активное устройство компенсации гармоник за пределами частоты питания 50 Гц обеспечивает уменьшение создаваемых гармоник путем повышения входного полного сопротивления силовой цепи.

Решение, предложенное в данном случае, требует наличия чувствительного датчика тока, но не настолько точного, как в решениях, в которых повторно подается гармонический ток, равный измеряемому гармоническому току. Это возможно за счет того, что повторно подается ток, в k раз превышающий измеряемый гармонический ток.

Согласно изобретению признаком устройства является то, что его устанавливают на входе фильтрующих устройств, чтобы увеличить значение их полного сопротивления.

Расположение устройства со стороны источника, а не стороны нагрузки, приводит к тому, что оно имеет высокое входное полное сопротивление и, следовательно, ведет себя, как источник тока, а не как источник напряжения.

Устройство характеризуется также линейным характером управления его транзистором в отличие от двухпозиционного управления. Транзистор постоянно поляризуется и диссипативно контролирует проходящий через него ток.

Изобретение относится к области электротехники. Активное устройство (40) компенсации гармонических токов главного тока, предназначенное для параллельного подключения к входной схеме преобразователя (28), содержащее датчик (44) тока питания, генератор тока, выполненный с возможностью подачи тока на вход преобразователя (28) в зависимости от силы гармонического тока, измеренного датчиком (44) тока. Генератор тока выполнен с возможностью генерирования и подачи на вход преобразователя (28), кроме гармонического тока, тока, в k раз превышающего гармонический ток, измеренный датчиком (44) тока, при этом k является положительным. Технический результат - ограничение возникновения помех. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Активное устройство (40) компенсации гармонических токов главного тока, предназначенное для параллельного подключения к входной схеме преобразователя (28), содержащее:
датчик (44) тока питания;
генератор (46) тока, выполненный с возможностью подачи тока на вход преобразователя (28) в зависимости от силы гармонического тока, измеренного датчиком (44) тока,
отличающееся тем, что генератор (46) тока выполнен с возможностью генерирования и подачи на вход преобразователя (28), помимо гармонического тока, также тока, в k раз превышающего гармонический ток, измеренный датчиком (44) тока, при этом k является положительным.

2. Устройство компенсации по п.1, отличающееся тем, что генератор (46) тока выполнен с возможностью генерирования и подачи на вход преобразователя (28) тока, пропорционального силе гармонического тока, измеренного датчиком (44) тока.

3. Устройство компенсации по п.1 или 2, отличающееся тем, что датчик (44) тока выполнен с возможностью измерения только переменных составляющих тока, за исключением главной составляющей тока, постоянного или переменного в зависимости от варианта применения по постоянному току.

4. Устройство компенсации по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что датчик (44) тока выполнен с возможностью исключения из измерения тока с частотой, равной заранее определенной частоте, соответствующей частоте тока питания.

5. Устройство компенсации по п.4, отличающееся тем, что датчик (44) тока содержит запирающий фильтр (152, 162).

6. Устройство компенсации по любому из пп.1, 2 и 5, отличающееся тем, что генератор (46) тока содержит усилитель класса А.

7. Устройство компенсации по п.3, отличающееся тем, что генератор (46) тока содержит усилитель класса А.

8. Устройство компенсации по п.4, отличающееся тем, что генератор (46) тока содержит усилитель класса А.

9. Устройство компенсации по п.6, отличающееся тем, что усилитель содержит транзистор (56), источник (62) постоянного напряжения поляризации и дроссельную катушку (64), соединяющую транзистор (56) с генератором (62) напряжения поляризации.

10. Устройство компенсации по любому из пп.7 и 8, отличающееся тем, что усилитель содержит транзистор (56), источник (62) постоянного напряжения поляризации и дроссельную катушку (64), соединяющую транзистор (56) с генератором (62) напряжения поляризации.

11. Устройство компенсации по п.9, отличающееся тем, что генератор (46) тока содержит предусилитель (54), соединяющий датчик (44) тока с транзистором (56) и обеспечивающий усиление с коэффициентом, в k раз превышающим значение сопротивления резистора (58), соединяющего транзистор (56) с массой (27).

12. Устройство компенсации по п.10, отличающееся тем, что генератор (46) тока содержит предусилитель (54), соединяющий датчик (44) тока с транзистором (56) и обеспечивающий усиление с коэффициентом, в k раз превышающим значение сопротивления резистора (58), соединяющего транзистор (56) с массой (27).

13. Устройство компенсации по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что генератор (46) тока содержит усилитель класса В.

14. Устройство компенсации по п.3, отличающееся тем, что генератор (46) тока содержит усилитель класса В.

15. Устройство компенсации по п.4, отличающееся тем, что генератор (46) тока содержит усилитель класса В.

16. Силовая цепь для электровоза, содержащая, по меньшей мере, один электрический двигатель (20), силовой преобразователь (28), питаемый через токосъемные средства (18), и активное устройство (40) компенсации гармонических токов по любому из предыдущих пунктов, установленное параллельно между токосъемными средствами (18) и преобразователем (28).