ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК H02M1/14 H02M5/458 

Изобретение относится к преобразователю устройству, содержащему выпрямитель, на который подается внешнее переменное напряжение заданной частоты питающей сети, инвертор и промежуточный контур, содержащий конденсатор промежуточного контура и электрически включенный между выпрямителем и инвертором.

Такие преобразователи используются, например, в области железнодорожной техники. Там они служат для преобразования однофазного входного тока внешней сети энергоснабжения, который передается, например, по контактному проводу или контактному рельсу, чтобы иметь на выходе собственное напряжение питания для транспортного средства с необходимыми для него характеристиками, например в отношении необходимой выходной частоты, необходимого числа электрических фаз и/или необходимого уровня напряжения.

При выпрямлении возникает проблема, заключающаяся в том, что большое число выпрямителей выдают на выходе, помимо прочего, первую гармонику - на основе частоты питающей сети, - т.е. частоту помехи, равную удвоенной частоте питающей сети, которая может оказать негативное влияние на инвертор и его выходное напряжение.

В основе изобретения лежит задача создания преобразователя, в котором было бы уменьшено влияние мешающих частот.

Эта задача решается, согласно изобретению, посредством преобразователя с признаками п. 1 формулы. Предпочтительные варианты выполнения преобразователя охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.

Согласно изобретению, электрически параллельно конденсатору промежуточного контура подключен поглощающий контур, который при последовательной резонансной частоте, соответствующей двойной частоте питающей сети, образует последовательный резонансный контур и имеет низкой импеданс, при этом поглощающий контур (50) вместе с конденсатором промежуточного контура образует параллельный резонансный контур при параллельной резонансной частоте и имеет высокий импеданс, электрически параллельно конденсатору промежуточного контура и поглощающему контуру подключен демпфирующий поглощающий контур, содержащий резистор и магнитно связанный с поглощающим контуром, и напряжение, падающее на поглощающем контуре при параллельной резонансной частоте, посредством магнитной связи передается на демпфирующий поглощающий контур, в результате чего резистор демпфирующего поглощающего контура демпфирует параллельный резонанс поглощающего контура.

Существенным преимуществом предложенного преобразователя является то, что параллельный резонанс, вызванный поглощающим контуром, который служит, в первую очередь, для подавления сформированной выпрямителем первой гармоники, демпфируется дополнительным, согласно изобретению, демпфирующим поглощающим контуром, благодаря чему минимизируется негативное влияние параллельного резонанса на электрическую производительность преобразователя.

Другое существенное преимущество предложенного преобразователя состоит в том, что емкость поглощающего контура может быть выбрана независимо от параллельного резонанса, поскольку его влияние минимизируется демпфирующим поглощающим контуром.

В отношении небольшого числа конструктивных элементов считается предпочтительным, если поглощающий контур образован первой последовательной схемой, содержащей дроссель и емкость, называемую далее первой емкостью; дроссель, первая емкость и конденсатор промежуточного контура образуют параллельный резонансный контур, электрически параллельно конденсатору промежуточного контура и первой последовательной схеме подключена вторая последовательная схема, которая образует демпфирующий поглощающий контур и содержит обмотку, резистор и емкость, называемую далее второй емкостью; обмотка второй последовательной схемы магнитно связана с дросселем первой последовательной схемы, и напряжение, падающее на дросселе при параллельной резонансной частоте, посредством обмотки передается на вторую последовательную схему.

Величина второй емкости кратна первой емкости с коэффициентом, составляющим от 0,1 до 10, в частности, предпочтительно от 0,5 до 1,5.

Резистор второй последовательной схемы рассчитан предпочтительно таким образом, чтобы выполнялось соотношение:

где R – резистор второй последовательной схемы, С1 – первая емкость, а fs –частота питающей сети.

Величина индуктивности обмотки второй последовательной схемы кратна индуктивности дросселя первой последовательной схемы с коэффициентом, составляющим предпочтительно от 0,1 до 0,5.

Величина взаимной индуктивности М между обмоткой второй последовательной схемы и дросселем первой последовательной схемы кратна индуктивности обмотки с коэффициентом, составляющим предпочтительно от 0,1 до 0,7.

Число витков обмотки составляет предпочтительно 5-50.

Изобретение относится, кроме того, к транспортному средству, в частности рельсовому транспортному средству или дорожному транспортному средству с электроприводом. Согласно изобретению, транспортное средство оборудовано описанным выше преобразователем.

Изобретение более подробно поясняется ниже на примерах его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых:

- фиг. 1 показывает пример выполнения рельсового транспортного средства, оборудованного преобразователем согласно настоящего изобретения;

- фиг. 2 показывает пример выполнения промежуточного контура для преобразователя из фиг. 1;

- фиг. 3 - характеристика импеданса промежуточного контура из фиг. 2.

На чертежах для наглядности идентичные или сопоставимые компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

На фиг. 1 изображено рельсовое транспортное средство 10, которое через токосъемник 11 связано с внешней сетью 12 электроснабжения. Внешняя сеть 12 электроснабжения обеспечивает переменное напряжение с заданной частотой fs питающей сети, например, 50 Гц или 16 2/3 Гц.

Рельсовое транспортное средство 10 содержит выпрямитель 20, связанный с токосъемником 11 и тем самым с внешней сетью 12 электроснабжения. К выпрямителю 20 подключен инвертор 30, управляемый таким образом, что на выходе он формирует однофазное или многофазное переменное напряжение с требуемой выходной частотой.

Между выпрямителем 20 и инвертором 30 находится электрический промежуточный контур 40, содержащий конденсатор 41 промежуточного контура емкостью Cz, параллельно подключенный поглощающий контур 50 и параллельно подключенный демпфирующий поглощающий контур 60. Поглощающий контур 50 и демпфирующий поглощающий контур 60 индуктивно связаны между собой.

Выпрямитель 20, инвертор 30 и промежуточный контур 40, содержащий конденсатор 41 промежуточного контура, поглощающий контур 50 и демпфирующий поглощающий контур 60, образуют преобразователь 13, в котором выпрямитель 20 и инвертор 30 могут управляться в импульсном режиме устройством 70 управления, принадлежащем к преобразователю, или внешним устройством управления, и образуют преобразователь с импульсным управлением.

Поглощающий контур 50 имеет последовательный резонанс на частоте последовательного резонанса, соответствующей удвоенной частоте fs внешней сети 12 электроснабжения. Таким образом, в случае питающей частоты fs 16 2/3 Гц частота последовательного резонанса составляет 33 1/3 Гц, а в случае питающей частоты fs 50 Гц она составляет 100 Гц.

При последовательном резонансе или при двойной частоте fs сети электропитания поглощающий контур 50 имеет низкий импеданс, в результате первая гармоника, которая формируется выпрямителем 20 при выпрямлении и имеет двойную частоту fs сети электропитания, замыкается накоротко в промежуточном контуре 40.

Кроме того, поглощающий контур 50 также образует с конденсатором 41 промежуточного контура параллельный резонансный контур, частота параллельного резонанса которого больше частоты последовательного резонанса или превышает двойную частоту сети электропитания. При частоте параллельного резонанса поглощающий контур 50 имеет высокий импеданс.

Параллельный резонанс поглощающего контура 50 демпфируется демпфирующим поглощающим контуром 60. Для этой цели демпфирующий поглощающий контур 60 имеет предпочтительно по меньшей мере один резистор, который через магнитную или индуктивную связь взаимодействует с поглощающим контуром 50 и демпфирует параллельный резонанс.

На фиг. 2 подробно показан пример выполнения промежуточного контура 40 из фиг. 1. Показаны конденсатор 41 промежуточного контура, параллельно включенные поглощающий контур 50 и демпфирующий поглощающий контур 60.

В примере на фиг. 2 поглощающий контур 50 образован последовательной схемой, называемой далее первой последовательной схемой 100, содержащей дроссель 110 и емкость С1, называемую далее первой емкостью.

Индуктивность L1 дросселя 110 и емкость С1 рассчитаны таким образом, чтобы первая последовательная схема 100 при двойной частоте fs питающей сети имела низкий импеданс. Это тот случай, когда справедливо:

где f1 –частота последовательного резонанса первой последовательной схемы 100 или поглощающего контура 50, а fs – частота внешней сети 12 электроснабжения.

Таким образом, первая гармоника, сформированная выпрямителем 20 при выпрямлении, и частота которой составляет двойную частоту f1 питающей сети, замыкается накоротко поглощающим контуром 50.

В примере на фиг. 2 демпфирующий поглощающий контур 60 образован последовательной схемой, называемой далее второй последовательной схемой 200, которая содержит резистор R, обмотку 210 и емкость С2, называемую далее второй емкостью. Обмотка 210 второй последовательной схемы 200 или демпфирующего поглощающего контура 60 магнитно связана с дросселем 110 первой последовательной схемы или поглощающего контура 50; индуктивная связь обозначена буквой М.

При частоте параллельного резонанса поглощающего контура 50 первая последовательная схема 100 имеет высокий импеданс, так что напряжение, падающее на дросселе 110, передается посредством обмотки 210 на вторую последовательную схему 200 и тем самым в демпфирующий поглощающий контур 60, в результате чего резистор R демпфирующего поглощающего контура 60 демпфирует параллельный резонанс поглощающего контура 50.

Частота f2 параллельного резонанса возникает из индуктивности L1 дросселя 110, первой емкости С1 и емкости Cz конденсатора 41 промежуточного контура следующим образом:

Для компонентов демпфирующего поглощающего контура 60 предпочтительными рассматриваются следующие диапазоны определения параметров:

Для второй емкости С2 предпочтительно следующее соотношение:

Емкость С2 служит, в первую очередь, для блокировки постоянного тока через демпфирующий поглощающий контур 60.

Для резистора R предпочтительно следующее соотношение:

Для индуктивности обмотки 210 предпочтительно следующее соотношение:

где L1 – индуктивность дросселя 110, а L2 – индуктивность обмотки 210.

Для магнитной связи между дросселем 110 и обмоткой 210 предпочтительно применение следующего соотношения:

где М – взаимная индуктивность между дросселем 110 и обмоткой 210.

На фиг. 3 в качестве примера изображена характеристика импеданса промежуточного контура 40, который рассчитан на частоту 50 Гц питающей сети и в котором поглощающий контур 50 имеет низкий импеданс при частоте последовательного резонанса 100 Гц (стрелка SR). Видно, что импеданс промежуточного контура 40 становится минимальным при удвоенной частоте питающей сети, т.е. при 100 Гц.

Кроме того, на фиг. 3 видно, что при возникновении параллельного резонанса (см. стрелку с обозначением PR1) импеданс промежуточного контура 40 становится очень большим. Чтобы уменьшить этот эффект или демпфировать параллельный резонанс, предназначен упомянутый демпфирующий поглощающий контур 60, резистор R которого оказывает воздействие на поглощающий контур 50 через магнитную или индуктивную связь, он демпфирует уровень возникающего параллельного резонанса (см. стрелку с обозначением PR2).

Следовательно, описанный выше преобразователь 13 работает следующим образом:

При низких частотах напряжение падает на индуктивностях L1, L2, или дроссель 110 и обмотка 210 не играют значимой роли; емкости Cz, С1 и С2 соединены параллельно.

При параллельной резонансной частоте поглощающий контур 50 и демпфирующий поглощающий контур 60 находятся в резонансе. На дросселе 110 падает очень высокое напряжение и переходит на обмотку 210. Вследствие полярности соединения теперь протекает ток через резистор R, который создает электрические потери и демпфирует параллельный резонанс.

При высоких частотах импеданс конденсатора 41 промежуточного контура значительно меньше, чем резистора R. Поглощающий контур 50 является индуктивным. Поэтому, конденсатор 41 промежуточного контура действует, по существу, в одиночку.

Описанный выше преобразователь 13 может иметь одно, несколько или все нижеперечисленные преимущества:

- Не требуется обрезать производительность инвертора 30 за счет дополнительной задачи активного регулирования колебаний промежуточного контура.

- Спорадически возникающие возбуждения промежуточного контура 40 в основном не будут приводить к опасно высоким напряжениям промежуточного контура.

- Возмущения системы могут быть значительно уменьшены за счет отсутствия нежелательно высокого импеданса при параллельной резонансной частоте f2.

Хотя изобретение было подробно описано предпочтительными примерами его осуществления, оно не ограничено ими, и специалист может вывести из них другие варианты, не выходя за объем охраны изобретения.

Изобретение относится к преобразовательной технике. Технический результат заключается в уменьшении влияния помех на выходное напряжение. Технический результат достигается за счет преобразователя (13), содержащего выпрямитель (20), на который подается внешнее переменное напряжение заданной частоты (fs) питающей сети, инвертор (30) и промежуточный контур (40), содержащий конденсатор (41) и электрически включенный между выпрямителем (20) и инвертором (30). Согласно изобретению, электрически параллельно конденсатору (41) промежуточного контура подключен поглощающий контур (50), который при последовательной резонансной частоте, соответствующей двойной частоте (fs) питающей сети, образует последовательный резонансный контур и имеет низкий импеданс, поглощающий контур (50) вместе с конденсатором (41) промежуточного контура образует параллельный резонансный контур при параллельной резонансной частоте и имеет высокий импеданс, электрически параллельно конденсатору (41) промежуточного контура и поглощающему контуру (50) подключен демпфирующий поглощающий контур (60), содержащий резистор (R) и магнитно связанный с поглощающим контуром (50), при этом напряжение, падающее на поглощающем контуре (50) при параллельной резонансной частоте, посредством магнитной связи передается на демпфирующий поглощающий контур (60), в результате чего резистор (R) демпфирующего поглощающего контура (60) демпфирует параллельный резонанс поглощающего контура (50). 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь (13), содержащий выпрямитель (20), на который подается внешнее переменное напряжение заданной частоты (fs) питающей сети, инвертор (30) и промежуточный контур (40), который содержит конденсатор (41) промежуточного контура и электрически включен между выпрямителем (20) и инвертором (30), отличающийся тем, что электрически параллельно конденсатору (41) промежуточного контура подключен поглощающий контур (50), причем поглощающий контур (50) образует последовательный резонансный контур и имеет низкий импеданс при последовательной резонансной частоте, соответствующей двойной частоте (fs) питающей сети, при этом поглощающий контур (50) вместе с конденсатором (41) промежуточного контура образует параллельный резонансный контур и имеет высокий импеданс при параллельной резонансной частоте, электрически параллельно с конденсатором (41) промежуточного контура и поглощающим контуром (50) соединен демпфирующий поглощающий контур (60), магнитно связанный с поглощающим контуром (50) и содержащий резистор (R), при этом напряжение, падающее на поглощающем контуре (50) при параллельной резонансной частоте за счет магнитной связи передается на демпфирующий поглощающий контур (60), в результате чего резистор (R) демпфирующего поглощающего контура (60) демпфирует параллельный резонанс поглощающего контура (50).

2. Преобразователь (13) по п. 1, отличающийся тем, что поглощающий контур (50) образован первой последовательной схемой (100), содержащей дроссель (110) и емкость, называемую далее первой емкостью (С1), при этом дроссель (110), первая емкость (С1) и конденсатор (41) промежуточного контура образуют параллельный резонансный контур, при этом электрически параллельно конденсатору (41) промежуточного контура и первой последовательной схеме (100) включена вторая последовательная схема (200), которая образует демпфирующий поглощающий контур (60) и содержит обмотку (210), резистор (R) и емкость, называемую далее второй емкостью (С2), причем обмотка (210) второй последовательной схемы (200) магнитно связана с дросселем (110) первой последовательной схемы (100), и напряжение, падающее на дросселе (110) при параллельной резонансной частоте, посредством обмотки (210) передается на вторую последовательную схему (200).

3. Преобразователь (13) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вторая емкость (С2) кратна первой емкости (С1) с коэффициентом, составляющим от 0,1 до 10.

4. Преобразователь (13) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вторая емкость (С2) кратна первой емкости (С1) с коэффициентом, составляющим от 0,5 до 1,5.

5. Преобразователь (13) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что резистор (R) второй последовательной схемы (200) рассчитан таким образом, что выполняется соотношение:

где R – резистор второй последовательной схемы (200), С1 – первая емкость, а fs – частота питающей сети.

6. Преобразователь (13) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что величина индуктивности (L2) обмотки (210) второй последовательной схемы (200) кратна величине индуктивности (L1) дросселя (110) первой последовательной схемы (100) с коэффициентом, составляющим от 0,1 до 0,5.

7. Преобразователь (13) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что величина взаимной индуктивности (М) между обмоткой (210) второй последовательной схемы (200) и дросселем (110) первой последовательной схемы (100) кратна индуктивности обмотки с коэффициентом, составляющим от 0,1 до 0,7.

8. Преобразователь (13) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что число витков обмотки (210) составляет от 5 до 50.

9. Транспортное средство, в частности рельсовое транспортное средство или дорожное транспортное средство, характеризующееся тем, что содержит преобразователь (13) по любому из пп. 1-8.