УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H02M5/451 H02M5/48 G05F1/147 H01F29/04 

Изобретение исходит из устройства преобразования напряжения с по меньшей мере одним трансформатором, который, исходя из входного напряжения, предусмотрен для предоставления выходного напряжения, содержит входной блок обмоток и выходной блок обмоток и может работать согласно по меньшей мере двум рабочим режимам, которые, соответственно, соотнесены с различным коэффициентом преобразования напряжения, причем по меньшей мере один из блоков обмоток содержит первую и по меньшей мере одну вторую обмотку, и с рабочими режимами соотнесена одна соответственно отличающаяся рабочая конфигурация обмоток.

Спектр применений, которые предполагают преобразование напряжения между входным напряжением и напряжением со стороны потребителя, имеет значительную ширину. Среди них, в частности, можно найти применения, при которых существующий трансформатор должен быть пригоден для по меньшей мере двух коэффициентов преобразования напряжения или требуется некоторая гибкость в использовании трансформатора.

Типовым примером среди таких применений является электропитание электрических потребителей, которые питаются от предоставленного в распоряжение сетевого напряжения, причем определенный потребитель должен эксплуатироваться с различными значениями сетевого напряжения или существующий трансформатор должен быть используемым для применения с потребителями различных рабочих напряжений.

С различными коэффициентами преобразования напряжения, кроме того, связаны требования в отношении генерации токов утечки, которые устанавливаются со стороны сетевого оператора. Отсюда следуют различные требования к утечке трансформатора, которые должны выполняться при различных коэффициентах преобразования напряжения. Конструкция трансформатора должна дополнительно к предоставлению различных коэффициентов преобразования напряжения принимать в расчет эти требования.

В области железнодорожного транспорта основные трансформаторы электрических рельсовых транспортных средств, которые пригодны для работы с различными напряжениями железнодорожной сети (например, АС 25 кВ/50 Гц; АС 15 кВ/16,7 Гц), обычно имеют отвод обмотки выходного напряжения для согласования коэффициента преобразования напряжения соответственно различным напряжениям железнодорожной сети с напряжением тягового выпрямителя тока.

Из различных требований к току утечки, а также других требований к передаче мощности через трансформатор - в том числе поддержание условия cos (ϕ)=1 между сетевым током и сетевым напряжением - различных железнодорожных сетей следуют в результате различные требования, предъявляемые к индуктивности трансформатора. В зависимости от этих требований отношение напряжения короткого замыкания трансформатора к номинальному напряжению трансформатора может лежать в типовом диапазоне от 20% до 50%.

Для регулировки паразитной индуктивности трансформатора уже известно, что выходная обмотка трансформатора подразделяется на две обмотки, причем трансформатор имеет два различных рабочих режима, которые соотнесены с соответствующей одной отличающейся рабочей конфигурацией обмоток. В зависимости от железнодорожной сети, в которой эксплуатируется рельсовое транспортное средство, исходя из рабочего режима с только одной активной обмоткой, вторая обмотка подключается к другим, причем в этом втором рабочем режиме дополнительно включенная обмотка представляет пространственное расширение первой обмотки. При подключении дополнительной обмотки паразитная индуктивность обмотки выходного напряжения изменяется по отношению к обмотке входного напряжения.

Это решение имеет недостаток, заключающийся в том, что паразитная индуктивность во втором рабочем режиме сильно зависит от паразитной индуктивности первой обмотки. Ввиду ограниченной регулируемости отношений между паразитными индуктивностями различных рабочих режимов часто выполняется необходимый расчет с запасом трансформатора в отношении паразитной индуктивности в одном из рабочих режимов. Если трансформатор на стороне выхода соединен с тяговым выпрямителем тока, то избыточно большая паразитная индуктивность трансформатора, особенно при четырехквадрантном исполнительном механизме тягового выпрямителя тока, приводит к повышенным нагрузкам по напряжению и по току, которые могут учитываться только при расчете с запасом тягового выпрямителя тока.

В основе изобретения лежит задача предоставить устройство преобразования напряжения вышеуказанного типа, посредством которого может более точно устанавливаться отношение паразитных индуктивностей трансформатора между рабочими режимами.

Для этого предложено, что первая обмотка имеет части обмотки, которые с частями второй обмотки образуют чередующееся расположение. За счет этого может предпочтительным образом достигаться существенная развязка значений паразитной индуктивности рабочих режимов, причем может достигаться повышенная гибкость в выборе паразитной индуктивности в каждом рабочем режиме. В основе этого преимущества лежит высокая гибкость в выборе пространственного расположения частей первой и второй обмотки. Под «чередующимся расположением» частей обмоток должно пониматься, в частности, такое расположение, при котором части первой и второй обмоток внутри соответствующего блока обмоток таким образом пространственно распределены, что части первой обмотки и части второй обмотки чередуются.

Часть обмотки имеет рациональным образом по меньшей мере один виток или постоянное число витков. Если трансформатор имеет цилиндрический тип обмотки (цилиндрическую обмотку или трубчатую обмотку), то часть обмотки предпочтительно соответствует одному слою обмотки. При этом слои обмотки сменяются в направлении, которое ориентировано предпочтительно ортогонально к оси цилиндра или нормально к слоям обмоток. Выполнение частей обмотки как «перевернутых обмоток» также возможно.

Альтернативно, трансформатор может также быть навит таким образом, что он имеет набор из расположенных друг над другом дискообразных частей обмоток (дисковая обмотка). При этом части первой и второй обмоток чередуются в направлении, которое ориентировано предпочтительно перпендикулярно к плоскости диска.

В вышеназванных геометрических формах выполнения и других альтернативных формах выполнения трансформатора чередующееся расположение частей обмоток предпочтительно относится к направлению, которое характерно для определения паразитной индуктивности трансформатора. В частности - при наблюдении в этом характеристическом направлении - средний интервал между входным блоком обмотки и выходным блоком обмотки используется в качестве опорной величины для определения паразитной индуктивности трансформатора.

При выполнении чередующегося расположения количество частей первой обмотки, которые взаимосвязано расположены между двумя частями второй обмотки, выбирается свободно, за счет чего может достигаться большая свобода в регулировке паразитной индуктивности для каждого рабочего режима. В частности, тем самым может достигаться предпочтительное согласование паразитной индуктивности в каждом рабочем режиме с предписанными требованиями, при этом не требуется согласовывать трансформатор или подключенного потребителя при их расчете. Тем самым, требования к паразитной индуктивности могут соблюдаться с меньшими издержками.

Подразделение на первую и вторую обмотку может осуществляться на стороне входа. Однако в предпочтительном варианте предлагается, что первая и вторая обмотки являются составными частями выходного блока обмоток.

Для простого переключения между рабочими режимами предлагается, что устройство преобразования напряжения имеет блок переключения, который согласно применяемой рабочей конфигурации первую и/или вторую обмотку включает в активное состояние. Под «активным» состоянием обмотки должно пониматься такое состояние, в котором обмотка под напряжением соединена с подключенным потребителем. С помощью подразделения одного из блоков обмотки на по меньшей мере две обмотки можно предпочтительным образом предоставить по меньшей мере три рабочих режима.

Кроме того, предложено, что блок переключения согласно применяемой рабочей конфигурации, вторую обмотку - исходя из неактивного состояния - подключает к первой, находящейся в активном состоянии обмотке. В частности, может достигаться простая схемная топология, если первая обмотка постоянно находится в активном состоянии.

Устройство преобразования напряжения пригодно, в частности, для применений, в которых выходное напряжение меньше, чем входное напряжение.

В предпочтительной форме выполнения изобретения предложено, что входное напряжение является напряжением железнодорожной сети, а выходное напряжение служит для электропитания потребителя рельсового транспортного средства. Сооружение трансформаторов на участке конструкции рельсового транспортного средства, в частности сооружение так называемых основных трансформаторов, как известно, требует особенно много места. Расчет с запасом, необходимый для выполнения требований по паразитной индуктивности, приводит обычно к значительным дополнительным требованиям по месту для размещения. С помощью предложенного устройства преобразования напряжения можно в этом отношении сэкономить большое конструктивное пространство, которое может использоваться иным образом. Выходное напряжение служит в особенности для электропитания приводного блока рельсового транспортного средства и/или бортовой сети (также называется «электроснабжением вспомогательного производства»), которое предоставляется в распоряжение других электрических потребителей рельсового транспортного средства.

Если потребитель рельсового транспортного средства выполнен как приводной блок, то выходное напряжение предпочтительно служит для приведения в действие тягового выпрямителя тока. При этом выходное напряжение зависит, в частности, от напряжения промежуточного контура. Посредством предложенного устройства преобразования напряжения можно особенно предпочтительным образом избегать расчета с запасом тягового выпрямителя тока на основе определенных требований к паразитной индуктивности.

Пример выполнения изобретения поясняется со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - электрическая схема рельсового транспортного средства с трансформатором,

Фиг. 2 - вид в сечении трансформатора по фиг. 1 и

Фиг. 3 - детальный вид выходного блока обмоток трансформатора по фиг. 2.

Фиг.1 показывает электрическую схему рельсового транспортного средства в сильно схематизированном представлении. Оно имеет, в частности, устройство 10 преобразования напряжения, которое включает в себя трансформатор 12. Он предоставляет при работе на своих выходных клеммах выходное напряжение U_out, которое предусмотрено для электропитания электрических потребителей рельсового транспортного средства. В рассматриваемом примере выполнения электрический потребитель выполнен как приводной блок 14 рельсового транспортного средства, который включает в себя, например, два приводных двигателя 16.1 и 16.2. Приводные двигатели 16 приводятся в действие посредством двух тяговых выпрямителей 18.1, 18.2 тока, которые известным способом предоставляют необходимую электрическую мощность для приводных двигателей 16.1 и 16.2. Для этого тяговый выпрямитель 18 тока соединен с промежуточным контуром 20, который предоставляет в распоряжение постоянное напряжение V_ZK. Постоянное напряжение V_ZK получается, исходя из выходного напряжения U_out, с помощью выпрямителя 22, который соединяет выход трансформатора 12 с промежуточным контуром 20.

Трансформатор 12 предоставляет выходное напряжение U_out, исходя из входного напряжения U_in, которое в рассматриваемом примере выполнения соответствует напряжению железнодорожной сети, которое посредством токосъемника 24 снимается с провода 26 участка пути. Провод 26 может выполняться как воздушный контактный провод или как токовая шина. Трансформатор 12 заземлен посредством соединения с осью 28 рельсового транспортного средства.

Трансформатор 12 имеет функцию трансформировать входное напряжение U_in с понижением, так что выходное напряжение U_out меньше, чем входное напряжение U_in. Он предусмотрен для по меньшей мере двух коэффициентов преобразования напряжения и для этого может эксплуатироваться в по меньшей мере двух соответствующих рабочих режимах. В рассматриваемом здесь выполнении в качестве составной части схемы рельсового транспортного средства коэффициенты преобразования напряжения различаются за счет соответствующего значения входного напряжения U_in, причем значение выходного напряжения U_out в обоих рабочих режимах одинаково или зависит от напряжения V_ZK промежуточного контура 20. Это соответствует работе приводного блока 14 рельсового транспортного средства при по меньшей мере двух различных значениях напряжения железнодорожной сети. Типовыми значениями входного напряжения U_in являются 25 кВ -50 Гц и 15 кВ -16 2/3 Гц, причем возможны и другие значения.

Работа трансформатора 12 поясняется более подробно на основе фиг. 2. Здесь показан схематичный вид в сечении трансформатора 12.

Трансформатор 12 имеет входной блок 30 обмоток, который проводит входное напряжение U_in. Выходное напряжение U_out проводится через выходной блок 32 обмоток, причем оба блока 30, 32 обмоток намотаны на общий, состоящий из намагничиваемого материала сердечник 34, например железный сердечник. В показанном примере выполнения трансформатор 12 имеет цилиндрическую обмотку, причем плоскость сечения ориентирована параллельно продольной протяженности цилиндра и содержит ось симметрии цилиндрического расположения или ось 36 цилиндра. На чертеже представлена только половина цилиндра.

Фиг. 3 показывает выходной блок 32 обмоток в детальном представлении. Выходной блок 32 обмоток подразделен на по меньшей мере две различные обмотки 38, 40. Для наглядности они показаны с различными штриховками. Расположение первой обмотки 38 и второй обмотки 40 характеризуется тем, что части 42 первой обмотки 38 образуют с частями 44 второй обмотки 40 чередующееся расположение. В радиальном направлении 46 или в направлении, перпендикулярном оси 36 цилиндра, - за исключением краевых частей обмоток - части 42 первой обмотки 38 размещены между двумя частями 44 второй обмотки 40 и наоборот. В эквивалентной формулировке чередующееся расположение соответствует «перекрещивающемуся соединению» обеих обмоток 38, 40. Для рассматриваемой цилиндрической обмотки трансформатора 12 части 42 или 44 обмоток соответствуют так называемым слоям обмотки цилиндрической обмотки. Для наглядности другие части 42, 44 обмотки показаны штрихами.

В показанном примерном выполнении часть 42 обмотки чередуется с частью 44 обмотки. Число частей одной обмотки, которые взаимосвязано размещены между частями другой обмотки, может, однако, выбираться свободно. Так, например, две или более взаимосвязанных частей 42 или 44 обмоток могут размещаться между частями 44 или 42 обмоток. Части 42, 44 обмоток могут распределяться согласно повторяющемуся образцу, и/или число взаимосвязанных частей одной обмотки может варьироваться между двумя частями другой обмотки вдоль радиального направления 46.

С рабочими режимами трансформатора 12 соотнесена соответственно различная рабочая конфигурация обмоток 38, 40. Рабочие конфигурации отличаются по виду и по числу активно включенных в соответствующем рабочем режиме обмоток 38, 40, выходного блока 32 обмоток. Активная в рабочем режиме обмотка способствует предоставлению выходного напряжения U_out или она соединена под напряжением с подключенным электрическим потребителем. Для показанного выполнения выходного блока 32 обмоток возможны три различные рабочие конфигурации, в которых активна первая обмотка 38, вторая обмотка 40 или комбинация обеих обмоток 38 и 40.

Для переключения между различными рабочими конфигурациями обмоток 38, 40 устройство 10 преобразования напряжения содержит схематично представленный на фиг. 3 блок 47 переключения. Блок 47 переключения служит для того, чтобы в зависимости от текущего рабочего режима трансформатора 12 включать первую обмотку 38 и/или вторую обмотку 40 в активное состояние или соединять под напряжением с подключенным электрическим потребителем.

В особой форме выполнения трансформатор 12, в зависимости от значения входного напряжения или напряжения железнодорожной сети, работает в первом рабочем режиме, в котором активно включена только одна из обмоток 38, 40, или во втором рабочем режиме, в котором активно включены обе обмотки 38, 40. При переключении между обоими рабочими режимами блок 47 переключения подключает неактивную до сих пор обмотку к уже активной обмотке.

Рабочие режимы отличаются друг от друга по меньшей мере в двух аспектах. На выходной стороне предоставляются различные числа витков, посредством чего реализуются различные коэффициенты преобразования напряжения. Кроме того, рабочие режимы различаются средним интервалом между входным блоком 30 обмоток и активной частью выходного блока 32 обмоток. Тем самым достигаются различные значения паразитной индуктивности или напряжения короткого замыкания трансформатора 12. В показанной форме выполнения рассматривается средний интервал в радиальном направлении 46.

Выполнение выходного блока 32 обмоток или чередующегося расположения частей 42, 44 обмоток может конструктивно просто согласовываться с требованиями по отношению к паразитной индуктивности или напряжению короткого замыкания, которые устанавливаются операторами железной дороги в зависимости от напряжения железнодорожной сети.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для потребителей, питающихся от сети. Техническим результатом является повышение точности установки отношения паразитных индуктивностей трансформатора между рабочими режимами. Устройство преобразования напряжения с по меньшей мере одним трансформатором (12), который, исходя из входного напряжения (U_in), предусмотрен для предоставления выходного напряжения (U_out), содержит входной блок (30) обмоток и выходной блок (32) обмоток и может работать согласно по меньшей мере двум рабочим режимам, которые, соответственно, соотнесены с различным коэффициентом преобразования напряжения, причем по меньшей мере один из блоков (30, 32) обмоток содержит первую (38) и по меньшей мере одну вторую обмотку (40), и с рабочими режимами соотнесена одна соответственно отличающаяся рабочая конфигурация обмоток (38, 40). Для того чтобы предоставить устройство преобразования напряжения вышеуказанного типа, посредством которого может более точно устанавливаться отношение паразитных индуктивностей трансформатора между рабочими режимами, предложено, что первая обмотка (38) имеет части (42) обмотки, которые с частями (44) второй обмотки (40) образуют чередующееся расположение. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство преобразования напряжения с по меньшей мере одним трансформатором (12), который, исходя из входного напряжения (U_in), предусмотрен для предоставления выходного напряжения (U_out), содержит входной блок (30) обмоток и выходной блок (32) обмоток и выполнен с возможностью работы согласно по меньшей мере двум рабочим режимам, которые, соответственно, соотнесены с различным коэффициентом преобразования напряжения, причем по меньшей мере один из блоков (30, 32) обмоток содержит первую (38) и по меньшей мере одну вторую обмотки (40), и с рабочими режимами соотнесена одна соответственно отличающаяся рабочая конфигурация обмоток (38, 40),
отличающееся тем, что
первая обмотка (38) имеет части (42) обмотки, которые с частями (44) второй обмотки (40) образуют чередующееся расположение.

2. Устройство преобразования напряжения по п. 1, отличающееся тем, что
первая (38) и вторая обмотки (40) являются составными частями выходного блока (32) обмоток.

3. Устройство преобразования напряжения по п. 1, отличающееся
блоком (47) переключения, который согласно применяемой рабочей конфигурации первую и вторую обмотку (38, 40) включает в активное состояние.

4. Устройство преобразования напряжения по п. 3,
отличающееся тем, что
блок (47) переключения согласно применяемой рабочей конфигурации вторую обмотку (40), исходя из неактивного состояния, подключает к первой, находящейся в активном состоянии обмотке (38).

5. Устройство преобразования напряжения по п. 1, отличающееся тем, что
части (42, 44) обмоток выполнены как слои обмоток.

6. Устройство преобразования напряжения по п. 1, отличающееся тем, что
выходное напряжение (U_out) меньше, чем входное напряжение (U_in).

7. Устройство преобразования напряжения по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что
входное напряжение (U_in) является напряжением железнодорожной сети, а выходное напряжение (U_out) служит для электропитания потребителя рельсового транспортного средства.

8. Устройство преобразования напряжения по п. 7, отличающееся тем, что
выходное напряжение (U_out) служит для приведения в действие тягового выпрямителя (18.1, 18.2) тока.

9. Рельсовое транспортное средство с устройством (10) преобразования напряжения по любому из пп. 1-8.