CZ296728B6 - Zapojení pro dodávku elektrické energie do hnacího trífázového propulzního motoru - Google Patents

Abstract

Motor (M1, M2) je pripojen pres tríúrovnový menic(E) a ochranné zarízení (B) na vstupní filtr (A),který je pres vstupní obvod (D) napojen na napetový vodic (L1) a zemnicí vodic (L2). Ochranné zarízení (B) má v kazdé ze svých dvou vetví zarazen v sérii polovodicový spínac (5, 6) a diodu (9) s paralelne pripojeným omezovacím odporem (7, 8). Ke kazdé z vetví ochranného zarízení (B) je paralelne pripojena jedna dalsí stejná vetev a v takto upravených vetvích zapojené omezovací odpory (11+, 12+, 11-, 12-) jsou tvoreny rozdelenými omezovacím odpory (7, 8).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zapojení pro dodávku elektrické energie do hnacího třífázového propulzního motoru, připojeného přes tříúrovňový měnič a ochranné zařízení na vstupní filtr.

Dosavadní stav techniky

Elektrické hnací propulzní motory jsou vybaveny převodníky. Je to např. napěťový převodník, který umožňuje získat střídavé napětí ze stejnosměrného napětí z trolejového vedení. Pro dodávku energie do zátěže sestávající z elektrických hnacích motorů, kterými jsou třífázové motory, je nutné poskytnout třífázový napěťový systém, který je nejbližší vyváženému, frekvenčně proměnnému a amplitudově proměnnému sinusovému třífázovému systému. Měnič stejnosměrného proudu na střídavý je zařízení, které dosažení tohoto cíle umožňuje a používá k tomu výkonové komponenty, jakými jsou například tyristory, GTO tyristory apod.

Až dosud polovodiče, které se používají jako spínače u převodníku a zvláště u měničů, snášejí napětí, které je větší než je hodnota napětí v trolejovém vedení.

V konkrétním případě u nominálního stejnosměrného trolejového vedení 3 kV se například doporučuje použít dva GTO tyristory s hodnotou 4,5 kV zapojené v sérii. Získá se tím velké bezpečnostní rozpětí, které umožňuje udržet napětí terminálů měniče, a to v každém fungujícím případu.

Kromě toho, jestliže se převodník zablokuje, například vlivem přepětí v trolejovém vedení, objeví se na vstupu měniče rovněž okamžité přepětí. Toto přepětí v podstatě závisí na parametrech samotného převodníku, na vstupním filtru, na jakémkoliv přerušení proudu a na parametrech samotném trolejovém vedení.

Nedávno se objevily nové typy statických spínačů. Mezi ně patří statické spínače typu „IGBT“ (izolované hradlové bipolámí tranzistory), MGT tranzistory, IGCT tranzistory apod. Obecně platí, že se tato zařízení mohou doplnit použitím omezovačů mechanického kmitání, a to v případě, že je ovládání realizováno hradlem.

Použití polovodičů této nové generace, zvláště pak v případě použití typu IGBT, lze povolit redukované maximální napětí. Důvodem je, že to stačí k zařazení 3,3 kV IGBT do série v případě, že v trolejovém DC vedení je napětí s hodnotou 3 kV. Znamená to, že se snižuje i bezpečnostní rozsah, čehož výsledkem je nutnost použít ochranné zařízení k omezení napětí vstupního filtru převodníku, aby se tím zajistilo, že maximální napětí u terminálů polovodičů nikdy nepřesáhne jejich maximální hodnotu Princip takového ochranného systému je jednoduchý a zahrnuje ochranné zařízení zapojené tehdy, jestliže napětí přesáhne maximální prahovou hodnotu, přitom se neodpojí do okamžiku, kdy napětí klesne pod minimální prahovou hodnotu. Potřeba zařadit ochranné zařízení omezující napětí si vynucuje použít na vstupu převodníku elektrický spotřebič, což v praxi znamená jakýkoliv odpor.

Obvykle se jako doplněk používají na vstupu filtru, který je umístěný před převodníkem, propulzní převodníky, v konkrétních případech i s přerušovačem brždění.

-1 CZ 296728 B6

Podstata vynálezu

Cílem tohoto vynálezu je přinést spínače nové generace, například typu IGBT pro převodníky, a současně i ochranné zařízení. Vynález přináší zapojení pro dodávku elektrické energie do hnacího třífázového propulzního motoru, připojeného přes tříúrovňový měnič a ochranné zařízení na vstupní filtr, který je přes vstupní obvod napojen na napěťový vodič a zemnicí vodič, přičemž ochranné zařízení má v každé ze svých dvou větví zařazen v sérii polovodičový spínač a diodu s paralelně připojeným omezovacím odporem. Podstata vynálezu spočívá v tom, že ke každé z větví ochranného zařízení je paralelně připojena jedna další stejná větev, přičemž v takto upravených větvích zapojené omezovači odpory jsou tvořeny rozdělenými omezovacími odpory.

Vynález je též možno provést tak, že každý omezovači odpor je zapojen do série se separátním ovládacím polovodičovým spínačem.

Též je možné takové provedení vynálezu, kdy polovodičové spínače jsou svými konci odvrácenými od konců připojených na omezovači odpory napojeny mezi kondenzátory vstupního filtru, sériově zapojené mezi zemnicím vodičem a napěťovým vodičem.

Přehled obrázků na výkresech

Na připojených výkresech jsou znázorněny detaily zapojení podle vynálezu, přičemž obr. 1 schematicky znázorňuje pohled na propulzní řetězec zahrnující různé silové obvody a moduly, například vstupní obvod, vstupní filtr, přerušovač brždění, měnič a elektrický propulzní motor, a to v případě, že se použily přepínače podle dosavadního stavu techniky, obr. 2 pak schematicky znázorňuje pohled na přerušovač brždění v případě, kdy se použily spínače nové generace, například IGBT, obr. 3 schematicky znázorňuje pohled na ochranném zařízení fungující na principu omezování, které je nutné použít, jestliže se v propulzním řetězu (obr. 1) použijí spínače nové generace, například typu IGBT, obr. 4 schematicky znázorňuje pohled na řešení podle tohoto vynálezu, u kterého se kombinuje funkce přerušovače brždění a omezovače napětí a konečně obr. 5 a 6 znázorňují principy ovládání přerušovače brždění a omezovače napětí.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje úplný propulzní řetězec dvou propulzních motorů Ml, M2. Podle provedení na obr. 1 má tříúrovňový měnič E, umístěný před třífázovými propulzními motory Ml, M2, dále tři větve, které zásobují tři fáze, přerušovač C brždění a vstupní filtr A, který je přímo spojen vstupním obvodem D s trolejovým vedením 15 o napětí 3000 V a kolejnicí 16. Obvykle jsou jednotlivé komponenty výkonového zařízení typu GTO (vypínací tyristory), které nevyžadují použití dodatečného napěťového ochranného zařízení B (omezovače).

Pokud se použijí spínače nové generace, například typu IGBT, je nutné použít dva IGBT tranzistory v každé z větví, a to v případě použití trolejového vedení 15 o napětí 3000 V, s cílem vydržet příslušné zatížení. V tomto případě jsou oba tranzistory IGBT uspořádané paralelně a sériově jsou spojené s brzdným odporem. Jak to již bylo zmíněno, je zde nutné zařadit ochranné zařízení B znázorněné na obr. 3, které by omezovalo napětí vstupního filtru A a převodníku. Obvykle každá větev sestává z IGBT spínače spojeného sériově s diodou a paralelně s omezovacím odporem.

V praxi se ukazuje, že při brždění, když napětí mezi napěťovým vodičem LI (připojeným k trolejovému vedení 15 přes vstupní filtr A) a zemnicím vodičem L2 (ve spojení s kolejnicemi 16) je vyšší než prahové, což znamená, že vedení nemůže déle obnovit brzdicí energii, napětí na kon

-2CZ 296728 B6 denzátorech 3, 4 vstupního filtru A je omezeno aktivací ovládacích polovodičových spínačů 5, 6. Ty odvádějí proud do omezovačích odporů 7, 8.

Mezilehlý bod L3 nacházející se mezi polovodičovými spínači 5, 6 je spojen s mezilehlým bodem L4 mezi kondenzátory 3, 4 vstupního filtru A.

Přerušovač C brždění, tj. ochranné zařízení B se hodí pro většinu trakčních převodníků a počítá se s ním pro vysoké výkony.

Pro snížení nákladů je navrženo řešení podle obr. 4, které kombinuje funkce přerušovače C brždění a omezovače napětí, a to v rámci jednoho výkonového zařízení.

Omezovači odpory 7, 8 jsou rozděleny do odporů H+, 12+, 11-, 12-, IGBT polovodiče zásobující odpory, s nimiž jsou spojeny sériově, se rovněž rozdělují do separátních polovodičových spínačů 13+. 14+, 13-, 14-, Protože však jmenovitý výkon zařízení, které má fungovat jako omezovač, vyžaduje odpor s nízkou hodnotou omezení, a to z důvodu poskytnutí dobré napěťové ochrany polovodičů omezovače a měniče (není na obr. 2 a 4 znázorněna), musí být připojeno k terminálům L5 a L6. Použití odporu s nízkou hodnotou, který je vhodný k omezování, způsobuje nadměrné zvýšení hodnoty proudu, a tím i nadměrné ztráty v zařízení, pokud funguje jako přerušovač brždění.

Podle tohoto vynálezu řešení spočívá v zapojení umožňujícím střídavou aktivaci proudu procházejícího odpory, pokud mají funkci přerušovače brždění.

Pokud přerušovač C brždění funguje jako omezovač napětí, potom je teplo rozptýlené v odporech menší, a to z důvodu kratší provozní doby. V tomto případě jsou páry polovodičových spínačů 13+,14+,13-,Μ- buzeny současně a odpory 1_1+, 12+, 13.-, 14- jsou zásobovány paralelně, takže ekvivalentní odpor mezi body napěťového vodiče LI a zemnícího vodiče L2 má poloviční hodnotu ekvivalentního odporu získaného při fungování jako přerušovač brždění.

Je nutné vzít v úvahu, že pro dané použití, jako přerušovač brždění, není odpor předimenzován, prostě sestává ze dvou oddělených dílů.

Vynález umožňuje snížit frekvenci spínání polovodičů fungujících jako přerušovače brždění, a to bez modifikace frekvence na kapacitních odporech vstupního filtru. Ztráty vzniklé při spínání ve frekvenčním přerušovači se tím snižují.

Tím lze těžit z výhod režimu střídavého provozu (postupným zpracováváním).

Kromě toho, ztráty vedením proudu se nezvyšují, a to: vlivem rozpojení odporu zásobovaného každým ovládacím polovodičem je proud jím vedený redukován na polovinu, přitom je tento proud veden dvakrát vlivem střídavého provozu ovládacích polovodičů.

Jestliže na druhé straně funguje jako omezovač napětí, je hodnota ekvivalentního odporu redukována na polovinu, čím umožňuje, pomocí zdvojeného proudu, zajistit efektivní napěťovou ochranu.

Princip funkce jako přerušovač brždění je znázorněn na grafu na obr. 4, a to ve vztahu (pomocí příkladu) k polovodičovým spínačům 13+, 14+, které fungují střídavě. Během časového úseku T funguje polovodičový spínač 13+ v čase δΤ/2, a to od časové hodnoty 0, přičemž polovodičový spínač 14+ funguje ve stejném čase δΤ/2 s počátkem v T/2. Trvání δΤ/2 je dáno velikostí realizovaného přerušovacího efektu, což znamená ztraceným výkonem.

-3CZ 296728 B6

Obr. 5 znázorňuje současně probíhající akci, v každé časové hodnotě T, polovodičových spínačů 13+, 14+ během δΤ, kdy fungují jako omezovače napětí.

Podle tohoto vynálezu musí omezování probíhat tehdy, když napětí přesáhne maximální únosnou prahovou hodnotu polovodičových spínačů přerušovače C brždění a/nebo měniče E, a to vlivem přepětí na trolejovém vedení 15, nebo zvláště vlivem blokace měniče.

V tomto případě elektronické ovládací zařízení blokuje trakční měnič E, zahájí se jeho činnost s funkcí omezovače, a to dokonce i tehdy, i když není nutné fungovat jako přerušovač brždění.

Omezovač vede proud do odporů uspořádaných paralelně, spíná se při vysoké prahové hodnotě a vypíná se při nízké prahové hodnotě, čímž udržuje napětí pod maximální hodnotou a bezpečnou prahovou hodnotou napětí polovodičů. Je to doba, která uplyne mezi přechodem těchto dvou prahových hodnot, což určuje trvání δΤ (obr. 5). Pokud operace přesáhne danou hodnotu trvání, další bezpečnostní opatření zajistí otevření přerušovače obvodu trolejového vedení ve vstupním obvodu D.

Rekapituluje-li se zapojení podle vynálezu jako celek, je jeho hlavním cílem tedy úprava dosavadního známého zapojeni pro dodávku elektrické energie do hnacího třífázového propulzního motoru Mi, který je připojen přes tříúrovňový měnič E a ochranné zařízení B na vstupní filtr A. Ten je přes vstupní obvod D napojen na napěťový vodič LI a zemnicí vodič L2. Je použito ochranné zařízení B, které má v každé ze svých dvou větví zařazen v sérii polovodičový spínač5, 6 a diodu 9 s paralelně připojeným omezovacím odporem 7, 8. Podle vynálezu je zapojení upraveno tak, že ke každé z větví ochranného zařízení B je paralelně připojena jedna další stejná větev a v takto upravených větvích jsou zapojeny omezovači odpory 11+, 12+, 11-, 12-, které jsou tvořeny omezovacími odpory 7, 8.

Každý omezovači odpor Π+, 12+, 11-, 12- je zapojen do série se separátním ovládacím polovodičovým spínačem 13+, 14+, 13-, 14-, které jsou svými konci odvrácenými od konců připojených na omezovači odpory 11+, 12+,11-, 12- napojeny mezi kondenzátory 3, 4 vstupního filtru A, sériově zapojené mezi zemnicím vodičemL2 a napěťovým vodičem LI.

Je učiněno opatření k možnosti použít zařízení, které se nemusí znovu upravovat pomocí stykače, jelikož elektronika tuto úpravu realizuje automaticky.

Popsaný příklad provedení je založen na použití tříúrovňového měniče. Je zřejmé, že uvedený způsob může odborník v oboru aplikovat i na dvouúrovňový měnič zcela bez potíží, přitom taková aplikace zůstává v mezích tohoto vynálezu.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zapojení pro dodávku elektrické energie do hnacího třífázového propulzního motoru (M₃), 5 připojeného přes tříúrovňový měnič (E) a ochranné zařízení (B) na vstupní filtr (A), který je přes vstupní obvod (D) napojen na napěťový vodič (LI) a zemnicí vodič (L2), přičemž ochranné zařízení (B) má v každé ze svých dvou větví zařazen v sérii polovodičový spínač (5, 6) a diodu (9) s paralelně připojeným omezovacím odporem (7, 8), v y z n a č u j í c í se tí m , že ke každé z větví ochranného zařízení (B) je paralelně připojena jedna další stejná větev, přičemž v takto 10 upravených větvích zapojené omezovači odpory (11+, 12+, 11-, 12-) jsou tvořeny rozdělenými omezovacími odpory (7, 8).
2. 2. Zapojení podle nároku 1, vyznačující se tím, že každý omezovači odpor (11+, 12+, 11-, 12-) je zapojen do série se separátním ovládacím polovodičovým spínačem (13+, 14+,

   15 13-, 14-).
3. 3. Zapojení podle nároku 2, vyznačující se tím, že polovodičové spínače (13+, 14+, 13-, 14-) jsou svými konci odvrácenými od konců připojených na omezovači odpory (11+,12+, 11-, 12-) napojeny mezi kondenzátory (3, 4) vstupního filtru (A), sériově zapojené mezi zemni-

   20 cím vodičem (L2) a napěťovým vodičem (LI).