RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (21 ) Numer zgłoszenia. 327022 (22) Data zgłoszenia: 25.06.1998 (19) PL (11) 186399 (13) B1 (51 ) IntCl7 B60M 1/06 G07F 1/10 (54) Filtr aperiodyczny i sposób wyznaczania parametrów filtra prostowników trakcji elektrycznej (43) Zgłoszenie ogłoszono: 03.01.2000 BUP 00/00 (73) Uprawniony z patentu: ELTRACK Sp. z o.o., Warszawa, PL (72) Twórcy wynalazku: Leszek Mierzejewski, Warszawa, PL Adam Szeląg, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.01.2004 WUP 01/04 (74) Pełnomocnik: Kwiatkowski Stanisław M. PL 186399 B1 1. Filtr aperiodyczny prostowników trakcji (57) elektrycznej, zawierający elementy indukcyjne i pojemnościowe o wartościach elektrycznych dobranych dla zadanej częstotliwości rezonansowej, znamienny tym, że stanowi filtr dolnoprzepustowy typu gamna, który na wejściu ma szeregowo włączony element indukcyjny (L), z odłącznikiem zasilania (OZ), których pozostałe zaciski stanowią wyjście filtra, w którym poprzez wyłącznik filtra (OF), połączona jest gałąź równoległa filtra, w której równolegle połączone są pierwszy ochronnik przepięciowy (ON) oraz poprzez wyłącznik (BI) gałęzi filtra, gałąź szeregowa filtra, składająca się z rezystora (Rz) ograniczającego prąd ładowania, do którego równolegle włączony jest blok opóźniający, stanowiący korzystnie pierwszy stycznik (St2), opóźniający w czasie (t) załączenie i - gałęzi równoległych elementu pojemnościowego (C...C1), zbocznikowanych każdy rezystorem rozładowującym (RR...RR1), przy czym pierwszy stycznik (St2) sprzężony jest z drugim stycznikiem (St1), którego styki robocze stanowią wyłącznik gałęzi szeregowej (BI).
Filtr aperiodyczny i sposób wyznaczania parametrów filtra, prostowników trakcji elektrycznej Zastrzeżenia patentowe 1. Filtr aperiodyczny prostowników trakcji elektrycznej, zawierający elementy indukcyjne i pojemnościowe o wartościach elektrycznych dobranych dla zadanej częstotliwości rezonansowej, znamienny tym, że stanowi filtr dolnoprzepustowy typu gamma, który na wejściu ma szeregowo włączony element indukcyjny (L), z odłącznikiem zasilania (OZ), których pozostałe zaciski stanowią wyjście filtra, w którym poprzez wyłącznik filtra (QF), połączona jest gałąź równoległa filtra, w której równolegle połączone są pierwszy ochronnik przepięciowy (ON) oraz poprzez wyłącznik (BI) gałęzi filtra, gałąź szeregowa filtra, składająca się z rezystora (Rz) ograniczającego prąd ładowania, do którego równolegle włączony jest blok opóźniający, stanowiący korzystnie pierwszy stycznik (St2), opóźniający w czasie (t) załączenie i - gałęzi równoległych elementu pojemnościowego (C...Q), zbocznikowanych każdy rezystorem rozładowującym (Rr...Rr j), przy czym pierwszy stycznik (St2) sprzężony jest z drugim stycznikiem (Stl), którego styki robocze stanowią wyłącznik gałęzi szeregowej (BI). 2. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że równolegle do elementu indukcyjnego (L) ma włączany drugi ochronnik przepięciowy (ONI). 3. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi stycznik (Stl) jest sprzężony z wyłącznikiem mocy (WM) na wejściu prostownika (P) trakcji elektrycznej. 4. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że w gałęzi szeregowej filtra ma włączony bezpiecznik (B). 5. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjście filtra jest połączone poprzez wyłącznik szybki WS z zasilaczem trakcji elektrycznej. 6. Sposób wyznaczania parametrów filtra, znamienny tym, że wartości obwodu rezonansowego złożonego z elementu indukcyjnego (L) i elementu pojemnościowego (C...Q) wyznacza się w oparciu o symulacyjny model pojazdów trakcyjnych z przekształtnikami energoelektronicznymi, parametry sieci trakcyjnej i szyn, obwodów torowych, filtru i prostowników podstacji trakcyjnej. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że wartości obwodu rezonansowego filtra ustala się w oparciu o dopuszczalne napięcie psofometryczne, poziom amplitud prądów trakcyjnych w paśmie zadanym oraz napięcie w sieci trakcyjnej według krzywej napięcie - czas. * * * Przedmiotem wynalazku jest filtr aperiodyczny i sposób wyznaczania parametrów filtra, prostowników trakcyji elektrycznej. W kolejowych prostownikowych podstacjach trakcyjnych prądu stałego, w celu zmniejszenia zakłócającego oddziaływania składowej zmiennej napięcia wyprostowanego, stosowane są filtry wygładzające, których zadaniem jest zmniejszenie pulsacji napięcia wyprostowanego do poziomu dopuszczalnego definiowanego przez wartość zastępczą napięcia psofometrycznego. Znane są filtry rezonansowe o obwodach dostrojonych do częstotliwości 300, 600, 900 i 1200Hz, w podstacjach wyposażonych w prostowniki sześciopulsowe lub 600 i 1200Hz w podstacjach wyposażonych w prostowniki dwunastopulsowe, włączone równolegle pomiędzy szyną dodatnią, za dławikiem, a szyną minusową podstacji. Znane są filtry z dławikiem włączonym szeregowo pomiędzy biegunem dodatnim prostownika a punktem przyłączenia obwodu rezonansowego. Filtry takie dostosowane są do zasilania zelektryfikowanych linii kolejowych prądu stałego z rozruchem rezystorowym.
186 399 3 Niedogodnością takich filtrów jest wrażliwość skuteczności tłumienia harmonicznych, na które dostrojone są obwody rezonansowe, od zmienności częstotliwości napięcia zasilającego, którego dopuszczalne wahania wynoszą 1 % oraz mała skuteczność w przypadku asymetrii napięcia zasilającego, ze względu na pojawienie się harmonicznych o innych częstotliwościach, dla których nie ma obwodu rezonasowego. Ponadto wadą jest niedostosowanie do zasilania pojazdów trakcyjnych wyposażonych w układy przekształtnikowe dużej mocy, ze względu na możliwość występowania rezonansu prądu i napięć dla częstotliwości innych niż częstotliwość obwodu rezonansowego, jak również niedostosowanie do tłumienia harmonicznych w paśmie częstotliwości powyżej 1,8 khz, co jest szczególnie istotne przy stosowaniu systemów sterowania i zabezpieczeń ruchu kolejowego z wykorzystaniem blokady częstotliwościowej wrażliwej na zakłócenia w tym paśmie. Filtr według wynalazku wyróżnia się tym, że stanowi filtr dolnoprzepustowy typu gamma, który na wejściu na szeregowo włączony element indukcyjny, z odłącznikiem zasilania, których pozostałe zaciski stanowią wyjście filtra, w którym poprzez wyłącznik filtra, połączona jest gałąź równoległa filtra, w której równolegle połączone są pierwszy ochronnik przepięciowy oraz poprzez wyłącznik gałęzi filtra, gałąź szeregowa filtra, składająca się z rezystora ograniczającego prąd ładowania, do którego równolegle włączony jest blok opóźniający, stanowiący korzystnie pierwszy stycznik, opóźniający w czasie załączenie i - gałęzi równoległych elementu pojemnościowego, zbocznikowanych każdy rezystorem rozładowującym. Pierwszy stycznik sprzężony jest z drugim stycznikiem, którego styki robocze stanowią wyłącznik gałęzi szeregowej. Korzystne jest, jeśli równolegle do elementu indukcyjnego jest włączony drugi ochronnik przepięciowy, oraz, jeśli drugi stycznik jest sprzężony z wyłącznikiem mocy na wejściu prostownika trakcji elektrycznej, jak również, jeśli w gałęzi szeregowej filtra jest włączony bezpiecznik oraz, jeśli wyjście filtra jest połączone poprzez wyłącznik szybki z zasilaczem trakcji elektrycznej. Sposób wyznaczania parametrów filtra według wynalazku, polega na tym, że wartości obwodu rezonansowego złożonego z elementu indukcyjnego i elementu pojemnościowego wyznacza się w oparciu o symulacyjny model pojazdów trakcyjnych z przekształtnikami energoelektronicznymi, parametry sieci trakcyjnej i szyn, obwodów torowych, filtra i prostowników podstacji trakcyjnej. Korzystne jest w sposobie według wynalazku, jeśli wartości obwodu rezonansowego filtru ustala się w oparciu o dopuszczalne napięcie psofometryczne, poziom amplitud prądów trakcyjnych w paśmie zadanym oraz napięcie w sieci trakcyjnej według krzywej napięcie - czas. Zgodnie z wynalazkami, filtry tłumią harmoniczne w paśmie powyżej częstotliwości rezonansowej, bez występowania częstotliwości dla których występują wzmocnienia amplitudy, są niewrażliwe na wahania częstotliwości napięcia zasilającego oraz na asymetrię napięcia zasilającego, jak również współpracują w paśmie wysokich częstotliwości z pojazdami trakcyjnymi wyposażonymi w przekształtniki energoelektroniczne, tj. eliminują zjawiska wzbudzenia i rezonansów pomiędzy przekształtnikami pojazdu, filtru pojazdu, sieci trakcyjnej i filtru podstacji. Ponadto zmniejszają zakłócenia, na które wrażliwe są obwody blokady częstotliwościowej oraz poziom przepięć impulsowych w sieci trakcyjnej, ze względu na wygładzający charakter pojemności. Filtr według wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, stanowiący przykład stosowania sposobu, przedstawiający schemat funkcjonalny prostownika trakcyjnego z filtrem aperiodycznym. Filtr aperiodyczny stanowi filtr dolnoprzepustowy typu gamma, który ma wejście wysokonapięciowe zasilające prądu przemiennego AC, poprzez wyłącznik mocy WM oraz trójfazowy transformator napięcia, połączone z wejściem prostownika trakcyjnego P. Na wyjściu stałoprądowym prostownika P szeregowo włączony jest element indukcyjny L z odłącznikiem zasilania OZ oraz amperomierz elektromagnetyczny A, których pozostałe zaciski stanowią wyjście filtra, w którym poprzez wyłącznik filtra OF, włączana jest gałąź równoległa filtra, w której równolegle połączone są ochronnik przepięciowy ON oraz poprzez wyłącznik BI gałęzi filtra, gałąź szeregowa filtra, składająca się z rezystora Rz ograniczającego prąd łado-
4 186 399 wania, do którego równolegle włączony jest blok opóźniający, stanowiący stycznik St2, opóźniający w czasie t załączenie poprzez bezpiecznik B, i - gałęzi równoległych elementu pojemnościowego C...Ci, zbocznikowanych każda rezystorem rozładowującym R r...r r i. Stycznik St2 sprzężony jest ze stycznikiem Stl, którego styki robocze stanowią wyłącznik gałęzi szeregowej BI, ponadto stycznik Stl jest sprzężony z wyłącznikiem mocy WM. Równolegle do elementu indukcyjnego L włączony jest ochronnik przepięciowy ONI. Wyjście filtra połączone jest linią zasilającą o napięciu 3 kv poprzez wyłącznik szybki WS z zasilaczem trakcji elektrycznej. Sposób wyznaczania parametrów filtra, polega na tym, że wartości obwodu rezonansowego złożonego z elementu indukcyjnego L i elementu pojemnościowego C...Ci wyznacza się w oparciu o symulacyjny model pojazdów trakcyjnych z przekształtnikami energoelektronicznymi, parametry sieci trakcyjnej i szyn, obwodów torowych, filtra i prostowników podstacji trakcyjnej. Wartości parametrów obwodu rezonansowego filtra ustala się w oparciu o dopuszczalne napięcie psofometryczne, poziom amplitud prądów trakcyjnych w paśmie zadanym oraz napięcie w sieci trakcyjnej według krzywej napięcie - czas. Filtr aperiodyczny działa w sposób niżej opisany. Na wyjściu prostownika P, uzyskiwany j est przebieg zawierający składową stałą i pulsującą, zaś filtr poprzez element idukcyjny L tłumi składową zmienną prądu wyprostowanego, przy czym element indukcyjny L z elementem pojemnościowym C...Ci stanowi pętlę zwarciową dla prądów o wyższych harmonicznych. Dobór parametrów filtru w celu dopasowania częstotliwości rezonansowej, prowadzi się poprzez symulację na modelu pojazdu elektrycznego i układu zasilania trakcji elektrycznej. Element pojemnościowy C...Cj ładowany jest przez rezystor Rz, do czasu naładowania tego elementu C...Cj, po czym po naładowaniu jest zwierany stycznikiem St2 bloku opóźniającego. Stycznik St2, działa z uzależnieniem od stycznika Stl z opóźnieniem czasowym równym 1sek. tak aby element pojemnościowy C...Q zdążył się naładować. Filtr aperiodyczny z elementem indukcyjnym L i elementem pojemnościowym C,...Q połączonym równolegle, stanowi obwód rezonansowy, który w paśmie wysokich częstotliwości charakteryzuje się silnym tłumieniem składowej zmiennej. Efektywność tego tłumienia zależy od doboru parametrów indukcyjności i pojemności. W obszarze niskich częstotliwości t.j. paśmie częstotliwości rezonansowej, filtr wzmacnia amplitudy składowej zmiennej. Odpowiedni dobór częstotliwości rezonansowej filtra, powoduje, że zawarte w składowej zmiennej napięcia wyprostowanego, napięcia wyższych harmonicznych o częstotliwościach charakterystycznych dla filtra o wyznaczonych parametrach zespołu prostownikowego są tłumione. Stycznik Stl jest sprzężony z wyłącznikiem mocy WM prostownika P, tak, że po załączeniu wyłącznika mocy WM, następuje załączenie stycznika Stl, zaś odłączenie stycznika Stl, następuje po wyłączeniu wyłącznikiem mocy WM.
186 399
186 399 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.