PL 215457 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 215457 (21) Numer zgłoszenia: 367834 (22) Data zgłoszenia: 01.08.2002 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 01.08.2002, PCT/BE02/000133 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 06.03.2003, WO03/018346 (13) B1 (51) Int.Cl. B60L 9/30 (2006.01) (54) Urządzenie do zasilania elektrycznego pojazdu szynowego (30) Pierwszeństwo: 31.08.2001, EP, 01870188.8 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 07.03.2005 BUP 05/05 (73) Uprawniony z patentu: ALSTOM BELGIUM S.A., Charleroi, BE (72) Twórca(y) wynalazku: ALEXIS COLASSE, Jambes, BE CHRISTOPHE DELECLUSE, Tournai, BE RAPHEL MAFFEI, Carnieres, BE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.12.2013 WUP 12/13 (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Robert Teofilak
2 PL 215 457 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do zasilania z sieci jezdnej elektrycznego pojazdu szynowego napięciem przemiennym i/lub stałym o wielu wartościach, celem zapewnienia za pom o- cą co najmniej jednego toru napędowego, wymaganego napięcia silnikowi elektrycznemu pojazdu szynowego. Obszar zastosowania tego wynalazku dotyczy sterowania zmienną prędkością w synchronicznych lub asynchronicznych maszynach przy wykorzystaniu szeregu roboczych napięć przemiennych lub stałych, występujących w sieci jezdnej. Dlatego celem zapewnienia napięcia do sterowania tym silnikiem, tory napędowe są zbudowane z pewnej liczby elementów służących do przekształcania napięcia sieci jezdnej. Te tory napędowe składają się z co najmniej jednego przekształtnika, falownika albo prostownika służącego do przekształcania napięcia występującego w sieci jezdnej na napięcie trójfazowe jak najbliższe zrównoważonemu trójfazowemu układowi sinusoidalnemu o zmiennej częstotliwości i amplitudzie, w celu sterowania silnikiem synchronicznym albo asynchronicznym. W pewnych przypadkach zawierają one również przerywacz hamowania związany w miarę możliwości z ogranicznikiem, oraz rozmaite filtry. Poniżej podano przykłady torów napędowych dla określonych napięć występujących w sieci jezdnej. Dla napięcia 25 kv - 50 Hz AC (napięcia przemiennego) - transformator mocy; - prostownik sterowany, zwykle typu FSMB (mostek jednofazowy z wymuszonym przełączaniem); - falownik zasilający silnik napędowy; - reostatyczny przerywacz hamowania (odzyskiwanie nie zawsze jest możliwe). Dla napięcia 15kV - 16 2/3 Hz AC - transformator mocy (taki sam jak dla 25 kv - 50 Hz); - prostownik sterowany (taki sam); - falownik zasilający silnik napędowy; - przerywacz hamowania nie jest niezbędny przy tym napięciu. Dla napięcia 3 kv DC (napięcia stałego) - filtr wejściowy; - falownik zasilający silnik napędowy; - przerywacz hamowania (potrzebny, ponieważ odzyskiwanie jest możliwe tylko wtedy, jeśli na sieci jest inny użytkownik); ten przerywacz hamowania spełnia również funkcję ogranicznika napięcia (który ogranicza napięcie na elementach półprzewodnikowych). Dla napięcia 1500 V DC - filtr wejściowy; - falownik zasilający silnik napędowy; - przerywacz hamowania (potrzebny, ponieważ odzyskiwanie jest możliwe tylko wtedy, jeśli na sieci jest inny użytkownik); ten przerywacz hamowania spełnia również funkcję ogranicznika napięcia (który ogranicza napięcie na elementach półprzewodnikowych). W niektórych sieciach, takich jak w typowym przykładzie w sieci SNCF (Société nationale des chemins de fer Francis, Narodowe Towarzystwo Kolei Francuskich), konieczne jest zapewnienie tego, aby do sieci jezdnej nie był zwracany żaden prąd. Całe hamowanie odbywa się wtedy przez rozpraszanie energii w rezystorach hamujących. Ten zestaw funkcji można również rozciągnąć na inne napięcia obwodu prądu przemiennego lub stałego. Oprócz tych funkcji związanych z samym torem napędowym konieczne jest dodanie funkcji przekształtnika pomocniczego (CVS) umożliwiającego zasilanie elementów pomocniczych napędu, takich jak wentylatory, kompresory itd. Problem staje się skomplikowany ze względu na fakt, że nie wszystkie kraje stosują takie samo zasilanie. W szczególności wtedy, gdy w trakcie jazdy lokomotywy przekraczają granicę pomiędzy jednym i drugim państwem, niezbędnym jest, aby silnik synchroniczny lub asynchroniczny był zdolny do przyjęcia zasilania przy różnych napięciach roboczych występujących w sieci jezdnej.
PL 215 457 B1 3 Większość elementów opisanych wyżej i występujących w torach napędowych jest zbudowana z przełączników wykorzystujących elementy mocy, takie jak tyrystory lub tyrystory wyłączalne GTO (stosowane dopiero od bardzo niedawna). W szczególnym przypadku GTO, które są elementami półprzewodnikowymi wykazującymi wytrzymałość na napięcie 4,5 kv, wyposaża się w konieczne obwody odciążające typu snubber, to znaczy z pomocniczymi obwodami przełączającymi. Te elementy półprzewodnikowe wykazują następujące zalety: - nie ma potrzeby stosowania układu obcinającego, zważywszy, że wytrzymałość napięciowa jest wtedy wystarczająca dla napięcia znamionowego 3 kv; - istnieje możliwość otwarcia obwodu tak, aby w nim umieścić łącznik stycznikowy, nawet pomiędzy kondensatorem wejściowym a przekształtnikiem, w pętli przełączającej, ze względu na obwód odciążający, przy czym indukcyjność pasożytnicza obwodu przełączającego nie ma znaczenia. Co więcej, ze względu na maksymalną wytrzymałość GTO na napięcie wynoszące 4,5 kv, nieprawdopodobne jest uzyskanie wytrzymałości na napięcie stałe 3 kv sieci jezdnej przy pomocy tylko jednego elementu. Ze względu na trudności w połączeniu szeregowym dwóch przełączników tego typu, często korzystne jest użycie urządzenia wejściowego obniżającego napięcie (z pośrednim połączeniem szeregowym GTO), a następnie zasilanie falownika niższym napięciem. Jakiś czas temu pojawiły się statyczne elementy półprzewodnikowe nowego typu o nazwie IGBT" (Insulated Gate Bipolar Transisotor - Tranzystor Bipolarny z Izolowaną Bramką). Do bardzo niedawna tego typu elementy półprzewodnikowe IGBT wykazywały maksymalną wytrzymałość na napięcie rzędu 3,3 kv. Ostatnie osiągnięcia pozwoliły na opracowanie elementów półprzewodnikowych, które mogą osiągać napięcie rzędu 6,5 kv. Oznacza to, że możliwe jest stosowanie pojedynczego elementu półprzewodnikowego z perspektywą bezpośredniego wytrzymywania znamionowego napięcia stałego równego 3 kv. Elementy półprzewodnikowe typu IGBT na przykład nie wymagają już stosowania obwodu odciążającego. Dlatego zachodzi konieczność zminimalizowania indukcyjności pasożytniczej pomiędzy kondensatorem a przekształtnikiem i niemożliwe jest już umieszczanie łącznika stycznikowego w tej pętli przełączającej. Zatem sytuacja ta zmusza projektanta do ponownego przemyślenia schematu zasadniczego z uwagi na pojawienie się tego problemu związanego z nową generacją elementów półprzewodnikowych, ale równocześnie oferuje ona możliwość znacznego jego uproszczenia i potencjalnych nowych rozwiązań dla schematów dotyczących torów napędowych w pojazdach szynowych zasilanych napięciem o wielu wielkościach. Wreszcie zaobserwowano, że zarządzający sieciami prądu stałego i przemiennego narzucają maksymalne parametry porównawcze na odrzucanie prądów harmonicznych przedostających się do sieci jezdnej, czyniąc to po to, aby nie dopuścić do zakłóceń obwodów torowych wykorzystywanych do sygnalizacji. Te parametry porównawcze są specyficzne dla każdej sieci i zależą od stosowanych obwodów torowych. Pewne sieci, takie jak sieć kolejowa 3 kv we Włoszech narzucają odrzucanie bardzo małego prądu, nawet dla niskich i bardzo niskich częstotliwości, które są w rzeczywistości częstotliwościami rezonansowymi filtra wejściowego (cewka indukcyjna + kondensator). Dlatego najmniejsze wzbudzenie (wyłączenie falownika, skok napięcia w sieci jezdnej itd.) tego filtra wejściowego powoduje przekraczanie tych parametrów porównawczych. Z opisu nr EP 0384222 A1 znany jest układ zasilający dla wielosystemowej lokomotywy, który to układ zawiera pierwszy i drugi przekształtnik, które są połączone elektrycznie za pomocą pierwszego i drugiego falownika. Przyłącza pierwszej gałęzi mostka znajdujące się po stronie falownika i przyłącza drugiej gałęzi mostka znajdujące się po stronie falownika obu przekształtników są połączone ze sobą za pośrednictwem elementu indukcyjnego, przy czym zawory przekształtnika drugiej gałęzi mostka pierwszego przekształtnika i zawory przekształtnika pierwszej gałęzi mostka drugiego przekształtnika są sterowane za pomocą układu sterującego, który wytwarza sygnał sterujący w zależności od wejściowego napięcia stałego i zadanego napięcia między obwodowego, podczas gdy inne zawory przekształtnika obu przekształtników są sterowane impulsowo innym układem sterującym. W rozwiązaniu tym nie udało się zapobiec zwracaniu prądu do sieci jezdnej pracującej na napięciu stałym, ponieważ, sieć jezdna o napięciu 1,5/3 kvdc jest bezpośrednio połączona (bez jakiejkolwiek diody pośredniej) z przekształtnikiem napięcia zasilającym silniki. Natomiast z opisu nr US 6166512 jest znany sterownik dla lokomotywy elektrycznej z silnikiem diesla. W opisie tym ujawniono mostek prostowniczy zasilany za pośrednictwem linii trójfazowej
4 PL 215 457 B1 wyprowadzonej z generatora elektrycznego, przy czym ten generator jest połączony na swym wejściu z silnikiem wysokoprężnym. Celem tego wynalazku jest dostarczenie rozwiązania, które umożliwia wyeliminowanie wad znanych ze stanu techniki. W szczególności celem wynalazku jest zapewnienie rekonfiguracji schematu zasadniczego dla różnych wielkości napięcia roboczego poprzez maksymalne ograniczenie liczby podstawowych komponentów elektrycznych potrzebnych do pracy szynowego toru napędowego, mając na uwadze zoptymalizowanie ich liczby. Głównym celem tego wynalazku jest zaproponowanie rozwiązania zapobiegającego powracaniu prądu do sieci jezdnej. Dodatkowym celem tego wynalazku jest rozwiązanie problemu przekraczania parametrów porównawczych, również w odniesieniu do bardzo małych częstotliwości. Drugim celem tego wynalazku jest dodatkowe wykorzystywanie komponentów istniejącego schematu zasadniczego do zasilania co najmniej jednego przekształtnika pomocniczego. Dodatkowym celem wynalazku jest anulowanie strat przełączania wtedy, gdy element półprzewodnikowy jest włączany, mając na celu umożliwienie wzrostu częstotliwości i zmniejszenie wyjściowej cewki indukcyjnej do zasilania przekształtnika pomocniczego. Trzecim celem tego wynalazku jest wykorzystanie kondensatora gałęzi A3 nie tylko do pracy w układzie filtra 2f, potrzebnego dla napięcia 15 kv - 16 2/3 Hz, czy dla napięcia 25 kv - 50 Hz, ale także dla napięcia stałego. Zgodne z wynalazkiem urządzenie, w którym tor napędowy zawiera co najmniej jeden przekształtnik mocy, który zawiera szereg elementarnych gałęzi zasilających, a każda z tych gałęzi zawiera co najmniej jedną diodę spolaryzowaną w kierunku blokowania wysokiego napięcia i element półprzewodnikowy, i który daje się rekonfigurować w funkcji różnych wartości napięcia roboczego poprzez zoptymalizowanie liczby tych używanych gałęzi, przy czym ten tor napędowy zawiera ponadto w elektrycznym obwodzie mocy, kaskadowo połączony pomiędzy transformatorem mocy zasilanym przez sieć jezdną a silnikiem elektrycznym prądu przemiennego tego pojazdu, sterowany mostek prostowniczy zasilany dwoma liniami, którego każda gałąź zawiera co najmniej jedną diodę służącą w pierwszym wykorzystaniu do prostowania, dostarczanego przez sieć jezdną poprzez transformator, napięcia przemiennego na napięcie stałe, zasadniczo reaktancyjny filtr wejściowy, przerywacz hamowania mogący spełniać również funkcję obcinania oraz falownik wielofazowy, przy czym te poszczególne elementy zawierają komponenty elektroniczne, takie jak elementy półprzewodnikowe mocy, charakteryzuje się tym, że falownik jest połączony bezpośrednio z siecią jezdną z uwzględnieniem wielkości roboczego napięcia w obwodzie prądu stałego przez diodę pierwszej gałęzi tak, że dioda pierwszej gałęzi sterowanego mostka prostowniczego, jest dodatkowo wykorzystywana pod napięciem w obwodzie prądu stałego sieci jezdnej, do zapobiegania zwracaniu energii elektrycznej przez sieć jezdną w trakcie działania w trybie hamowania. Korzystnie pierwsza gałąź sterowanego mostka prostowniczego, służącego w pierwszym wykorzystaniu do prostowania dostarczanego z sieci jezdnej za pośrednictwem transformatora, napięcia zmiennego na napięcie stałe, przy zasilaniu niskim napięciem stałym, jest gałęzią układu przełączającego podwyższającego napięcie, umożliwiając zwiększenie mocy wspomnianego toru napędowego przy zasilaniu tym niskim napięciem stałym. Ponadto korzystnie element półprzewodnikowy połączony równolegle ze wspomnianą diodą stanowi element półprzewodnikowy wykorzystywany do zwierania wspomnianej diody tak, że możliwy jest zwrot energii elektrycznej do sieci jezdnej. Ponadto przy zasilaniu napięciem stałym dioda przyczynia się do zmniejszenia prądu zwarciowego, których źródłem są kondensatory pozostałych torów napędowych, podczas możliwego zwarcia w torze napędowym. Ponadto, zgodnie z jedną postacią wynalazku, przy zasilaniu napięciem stałym przy sporadycznym wzbudzaniu filtra wejściowego, dioda jest elementem wykorzystywanym do zapobiegania oscylacjom prądu w filtrze wejściowym, zmniejszając przez to prądy harmoniczne tego filtra. Korzystnie druga gałąź sterowanego mostka prostowniczego jest umieszczona równolegle z pierwszą gałęzią i jest gałęzią, która przy napięciach stałych stanowi układ przełączający obniżający napięcie, w celu wytwarzania napięcia o mniejszej wartości umożliwiając zasilanie korzystnie przekształtnika pomocniczego tego pojazdu.
PL 215 457 B1 5 Ponadto korzystnie układ przełączający obniżający napięcie, zbudowany z tej drugiej gałęzi sterowanego mostka prostowniczego, mającej górny element półprzewodnikowy i dolny element półprzewodnikowy, stanowi w drugim wykorzystaniu sterowany obniżający układ przełączający do uzyskiwania maksymalnego tętnienia prądu celem odwrócenia prądu w wyjściowej cewce indukcyjnej. Zgodnie z wynalazkiem liczba gałęzi faktycznie wykorzystywanych zależy od wybranego napięcia, przy czym tę liczbę realizuje się za pomocą szeregu łączników stycznikowych, których położenie otwarte albo zamknięte zależy od tego wybranego napięcia. W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku falownik jest trójfazowy i zawiera trzy gałęzie. Korzystnie urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że kondensator wykorzystywany pierwotnie na napięcie przemienne o najmniejszej częstotliwości podstawowej w połączeniu z szeregową cewką indukcyjną, do filtrowania harmonicznych o częstotliwości dwukrotnie większej od najmniejszej częstotliwości podstawowej, które są generowane przez sterowany prostownik, gdzie ten filtr jest nazywany filtrem 2f", jest kondensatorem zwiększającym wartość pojemności w obwodzie kondensatora służącego do filtrowania napięcia stałego w warunkach pracy przy innych napięciach roboczych. Korzystnie wielonapięciowe zasilanie elektryczne prądem zmiennym i/lub stałym z sieci jezdnej jest wybrane z grupy zawierającej co najmniej następujące napięcia: 25 kvac/50 Hz, 15 kvac/16 2/3 Hz, 3 kvdc i 1,5 kvdc. W obwodzie elektrycznym mocy, pomiędzy transformatorem mocy zasilanym przez sieć jezdną a silnikiem elektrycznym tego pojazdu, gdzie ta sieć jezdna może dostarczać napięcie sieciowe o wielu wielkościach, przemiennych lub stałych, a ten obwód elektryczny zawiera szereg łączników stycznikowych do wybierania danego napięcia sieci jezdnej, kaskadowo połączone urządzenie stanowiące tor napędowy zawiera co najmniej: - sterowany mostek prostowniczy, zwykle typu jednofazowego z wymuszonym przełączaniem (FSMB); zasadniczo reaktancyjny filtr wejściowy, korzystnie zawierający co najmniej kapacytancję i/lub co najmniej jedną cewkę indukcyjną; - przerywacz hamowania mogący również spełniać funkcję układu obcinającego; - wielopoziomowy falownik wielofazowy, korzystnie trójfazowy; - komponenty elektroniczne, korzystnie półprzewodnikowe elementy mocy typu IGBT, przy czym każdy z elementów przynależy do co najmniej jednej elementarnej gałęzi mocy modułowego schematu zasadniczego. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogólny schemat obwodu mocy zasilania pojazdu szynowego, zwykle lokomotywy, z sieci jezdnej dla toru napędowego (n = 4), przy czym tor napędowy numer 1 zawierający silnik M, został przedstawiony szczegółowo, fig. 2 - wariant fig. 1 według korzystnego przykładu wykonania tego wynalazku, fig. 3 - schemat rewersyjnej gałęzi FSMB tworzącej układ przełączający obniżający napięcie przekształtnika pomocniczego, a fig. 4 - w funkcji czasu prąd i napięcie na wyjściu rewersyjnej gałęzi przedstawionej na fig. 3 do przekształtnika pomocniczego. Główna idea leżąca u podstaw wynalazku jest następująca: zakładając, że schemat zasadniczy obwodu mocy toru napędowego zasilanego napięciem o wielu wielkościach musi być rekonfigurowany specjalnie dla każdego napięcia roboczego, i że obwód mocy jest modułowy i zawiera pewną liczbę elementarnych gałęzi, jedną lub większą liczbę tych gałęzi wykorzystuje się w drugich zastosowaniach dla każdego danego napięcia roboczego celem zapewnienia funkcjonalności, jaką należy idealnie zrealizować dla tego napięcia roboczego. Należy zaznaczyć, że gałęzie wykorzystywane w drugich zastosowaniach w tym kontekście są ponadto albo zbędne i niepotrzebne, albo już mają dobrze zdefiniowane funkcje przy tym napięciu roboczym. Zrekonfigurowany schemat przedstawiony w kontekście korzystnej postaci wykonania wynalazku jest pokazany na fig. 1. Napięcie jest pobierane z sieci jezdnej 1, albo w postaci napięcia przemiennego (25 kv - 50Hz lub 15 kv - 16 2/3 Hz), albo w postaci napięcia stałego (3 kv lub 1,5 kv). Transformator mocy jest zasilany prądem przemiennym przez sieć jezdną 1. Transformator zawiera tyle uzwojeń wtórnych, ile jest do zasilania torów napędowych (11, 12, 13, 14), i ewentualnie pomocnicze uzwojenia wtórne (15, 16), na przykład do zasilania prądem przemiennym przekształtnika pomocniczego (CVS) albo do ogrzewania pociągu. Na fig. 1 pokazano szczegółowy i kompletny
6 PL 215 457 B1 schemat w odniesieniu do toru napędowego, przy czym nie pokazano pozostałych identycznych schematów (Prp2, Prp3, Prp4). Proponuje się rozwiązanie, które umożliwia używanie tylko 6 gałęzi bezwzględnie niezbędnych do pracy przy napięciu 25 kv - 50 Hz oraz wykorzystywanych w drugim zastosowaniu w przypadkach innych wielkości napięcia. Na tym schemacie, falownik trójfazowy zasilający każdy zespół napędowy M jest bezpośrednio przyłączony do sieci jezdnej. Wykorzystywanie gałęzi dla różnych wielkości napięcia opisano poniżej: Dla napięcia 25 kv - 50 Hz AC Wykorzystuje się: - prostownik sterowany FSMB: składający się z dwóch gałęzi albo pół-mostków (A1, A2); - falownik (C) zasilający silniki napędowe; składający się z trzech gałęzi (C1, C2, C3); - przerywacz hamowania (B): składający się z gałęzi przerywacza; - pomocniczy przekształtnik AC (CVS): przyłączony do dedykowanego uzwojenia 15 niskiego napięcia transformatora głównego. W tej konfiguracji, zamknięty jest łącznik stycznikowy 34 w celu doprowadzenia napięcia przemiennego o częstotliwości 50 Hz do w pełni sterowanego mostka prostowniczego (A1, A2). Wyprostowane napięcie zostaje doprowadzone do przerywacza hamowania (B) za pośrednictwem pojemnościowego filtra wejściowego (A3, łącznik stycznikowy zamknięty), a następnie do falownika (C1, C2, C3), Dla napięcia 15kV - 16 2/3 Hz AC Wykorzystuje się: - prostownik sterowany (A1, A2): składający się z dwóch gałęzi albo pół-mostków; - falownik (C) zasilający silniki napędowe; zbudowany z trzech gałęzi (C1, C2, C3); - przekształtnik AC CVS: przyłączony do dedykowanego uzwojenia 15 niskiego napięcia transformatora głównego. W tej konfiguracji, zamknięty jest łącznik stycznikowy 35 w celu doprowadzenia napięcia przemiennego o częstotliwości 16 2/3 Hz do w pełni sterowanego mostka prostowniczego (A1, A2). Napięcie przemienne zostaje doprowadzone za pośrednictwem reaktancyjnego filtra wejściowego, to znaczy pojemnościowego/indukcyjnego filtra (A3, cewka indukcyjna L, przełącznik 25 otwarty) i następnie do falownika (C1, C2, C3). Dla napięcia 3 kv DC Wykorzystuje się: - falownik (C) zasilający silniki napędowe; zbudowany z trzech gałęzi (C1, C2, C3); - przerywacz hamowania i układ obcinający (B i/lub A1): zbudowany z gałęzi przełączających; - przekształtnik DC CVS: zasilany przez układ przełączający obniżający napięcie zbudowany z drugiej gałęzi FSMB (A2, łącznik stycznikowy 24 zamknięty na CVS). Jest to rewersyjna gałąź przełączająca. Dla napięcia 1500 V DC Wykorzystuje się: - falownik (C) zasilający silniki napędowe; zbudowany z trzech gałęzi (C1, C2, C3); - przerywacz hamowania i układ obcinający (B): zbudowany z gałęzi przełączającej; - przetwornica podwyższająca napięcie może być utworzona przez pierwszą gałąź FSMB (A1); - przekształtnik DC CVS jest zasilany przez układ przełączający obniżający napięcie zbudowany z drugiej gałęzi FSMB (A2, łącznik stycznikowy 24 zamknięty na CVS). Jest to rewersyjna gałąź przełączająca. Dlatego przekształtnik CVS nie wymaga stopnia 3 kv i zawiera tylko komponenty zasilane napięciem mniejszym niż 1000 V (komponenty przemysłowe). Mówiąc inaczej, nie ma potrzeby rozdzielania stopni wysokiego napięcia na zespoły napędowe i przekształtniki pomocnicze. Te gałęzie rekonfiguruje się przy minimalnej liczbie łączników stycznikowych, natomiast nie umieszcza się żadnego łącznika stycznikowego w pętli złożonej z wejściowego kondensatora falownika i gałęzi złożonych z elementów półprzewodnikowych, eliminując przez to konieczność użycia układu odciążającego (snubber). Możliwe jest zasilanie toru napędowego 1 napięciem sieci jezdnej poprzez pierwszą gałąź FSMB A1 (łącznik stycznikowy 23 zamknięty). W tym przypadku dioda D1 pierwszej gałęzi FSMB A1 umożliwia zapewnienie tego, aby podczas hamowania prąd nie powracał do sieci jezdnej. Ta konfiguracja umożliwia również kontynuowanie zasilania przekształtnika pomocniczego przez sieć jezdną zapewniając równocześnie, aby do sieci jezdnej nie wracał prąd. W razie potrzeby jest możliwa rekon-
PL 215 457 B1 7 figuracja tej gałęzi jako układu przełączającego podwyższającego napięcie poprzez zwykłe sterowanie elementem półprzewodnikowym IGBT równolegle z diodą. Jeśli wymagane jest hamowanie z odzyskiem dla innych sieci 1500 V DC, to wtedy wystarcza sterowanie włączonym tranzystorem IGBT. Umieszczenie diody w obwodzie umożliwia również zmniejszenie prądów zwarciowych w sieciach prądu stałego. W szczególności w razie zwarcia w torze napędowym 1 kondensatory pozostałych torów napędowych nie powodują rozładowania do zwarcia. Wykorzystanie gałęzi rewersyjnej do utworzenia układu przełączającego obniżającego napięcie przekształtnika pomocniczego pozwala na powstanie bardzo znacznych tętnień prądu i umożliwia prądowi wyjściowemu zmianę kierunku w wyjściowej cewce indukcyjnej. Dlatego włączanie elementu półprzewodnikowego wykonuje się przy zerowym prądzie, a wyłączanie diod zachodzi łagodnie przy przekraczaniu zera. Na fig. 2 pokazano korzystny przykład wykonania, w którym wejściowe cewki indukcyjne 50 pokazane na fig. 1 usunięto i zastąpiono uzwojeniami wtórnymi 11 transformatora mocy. W tym przypadku można zaobserwować, że pojawia się bezpośrednie połączenie pomiędzy wejściem falownika a uzwojeniem wtórnym. Fig. 3 przedstawia schemat rewersyjnej gałęzi FSMB tworzącej układ przełączający obniżający napięcie przekształtnika pomocniczego. Fig. 4 przedstawia w funkcji czasu prąd i napięcie na wyjściu rewersyjnej gałęzi przedstawionej na fig. 3 do przekształtnika pomocniczego. Wreszcie należy zaznaczyć korzystne drugie zastosowanie kondensatora 62 używanego przy napięciu przemiennym o najniższej częstotliwości, zazwyczaj 15 kv - 16 2/3 Hz, w połączeniu szeregowym z elementem indukcyjnym 64 ( filtr 2f", A3), celem filtrowania harmonicznych o częstotliwości dwukrotnie większej od podstawowej, które są generowane na napięciu stałym przez prostownik sterowany. Ten filtr nie jest potrzebny dla innych wartości napięć przemiennych (o większej częstotliwości) i napięć stałych. Kondensator 62 wykorzystuje się wtedy w drugim zastosowaniu tak, aby zwiększyć wartość pojemności w obwodzie kondensatora 66 do filtracji dolnoprzepustowej napięcia stałego w taki sposób, aby zawartość prądów harmonicznych odrzucanych do sieci jezdnej albo oscylacji napięcia w obwodzie prądu stałego uczynić akceptowalnymi. Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do zasilania z sieci jezdnej elektrycznego pojazdu szynowego napięciem przemiennym i/lub stałym o wielu wartościach, celem zapewnienia wymaganego napięcia silnikowi elektrycznemu pojazdu szynowego, za pomocą co najmniej jednego toru napędowego, przy czym ten tor napędowy zawiera co najmniej jeden przekształtnik mocy, który zawiera szereg elementarnych gałęzi zasilających, a każda z tych gałęzi zawiera co najmniej jedną diodę spolaryzowaną zaporowo względem wysokiego napięcia i element półprzewodnikowy, i który daje się rekonfigurować w funkcji różnych wartości napięcia roboczego poprzez zoptymalizowanie liczby tych używanych gałęzi, przy czym ten tor napędowy zawiera ponadto w elektrycznym obwodzie mocy, kaskadowo połączony pomiędzy transformatorem mocy zasilanym przez sieć jezdną a silnikiem elektrycznym prądu przemiennego tego pojazdu, sterowany mostek prostowniczy (A1, A2) zasilany poprzez dwie linie, których każda gałąź zawiera co najmniej jedną diodę zwrotną (D1, D2) służącą w pierwszym wykorzystaniu do prostowania dostarczanego przez sieć jezdną poprzez transformator, napięcia przemiennego na napięcie stałe, zasadniczo reaktancyjny filtr wejściowy (A3), przerywacz hamowania (B) mogący spełniać również funkcję obcinania oraz falownik wielofazowy (C), przy czym te poszczególne elementy z a- wierają komponenty elektroniczne, takie jak elementy półprzewodnikowe mocy, znamienne tym, że falownik (C) jest połączony bezpośrednio z siecią jezdną z uwzględnieniem wielkości roboczego napięcia w obwodzie prądu stałego przez diodę (D1) pierwszej gałęzi, przy czym dioda (D1) pierwszej gałęzi (A1) sterowanego mostka prostowniczego, pod napięciem w obwodzie prądu stałego sieci jezdnej, jest wykorzystywana do zapobiegania zwrotowi energii elektrycznej przez sieć jezdną w trakcie pracy w trybie hamowania. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwsza gałąź (A1) sterowanego mostka prostowniczego służącego w pierwszym wykorzystaniu do prostowania, dostarczanego z sieci jezdnej za pośrednictwem transformatora, napięcia przemiennego na napięcie stałe, przy niskim napięciu
8 PL 215 457 B1 stałym, jest gałęzią układu przełączającego podwyższającego napięcie, umożliwiając zwiększenie mocy wspomnianego toru napędowego przy zasilaniu tym niskim napięciem stałym. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element półprzewodnikowy połączony równolegle ze wspomnianą diodą (D1) stanowi element półprzewodnikowy wykorzystywany do zwierania wspomnianej diody (D1) tak, że możliwy jest zwrot energii elektrycznej do sieci jezdnej. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że przy zasilaniu napięciem stałym, przy wystąpieniu w torze napędowym możliwego prądu zwarciowego dioda (D1) stanowi element wykorzystywany do zmniejszenia prądu zwarciowego płynącego z kondensatorów pozostałych torów napędowych. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że przy zasilaniu napięciem stałym przy sporadycznym wzbudzaniu filtra wejściowego, dioda (D1) jest elementem wykorzystywanym do zapobiegania oscylacjom prądu w filtrze wejściowym zmniejszając przez to prądy harmoniczne tego filtra. 6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że druga gałąź (A2) sterowanego mostka prostowniczego jest umieszczona równolegle z pierwszą gałęzią (A1) i jest gałęzią, która przy napięciach stałych stanowi układ przełączający obniżający napięcie w celu wytwarzania napięcia o mniejszej wartości umożliwiając zasilanie korzystnie przekształtnika pomocniczego tego pojazdu. 7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że układ przełączający obniżający napięcie, zbudowany z tej drugiej gałęzi sterowanego mostka prostowniczego (A2), mającej górny element półprzewodnikowy i dolny element półprzewodnikowy, stanowi w drugim wykorzystaniu sterowany obniżający układ przełączający do uzyskiwania maksymalnego tętnienia prądu celem odwrócenia prądu wyjściowego w wyjściowej cewce indukcyjnej. 8. Urządzenie według dowolnego z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienne tym, że liczba gałęzi faktycznie wykorzystywanych zależy od wybranego napięcia, przy czym tę liczbę realizuje się za pomocą szeregu łączników stycznikowych, których położenie otwarte albo zamknięte zależy od tego wybranego napięcia. 9. Urządzenie według dowolnego z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienne tym, że falownik (C) jest trójfazowy i zawiera trzy gałęzie (C1, C2, C3). 10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kondensator (62) wykorzystywany pierwotnie na napięcie przemienne o najmniejszej częstotliwości podstawowej, w połączeniu z szeregową cewką indukcyjną (64), do filtrowania harmonicznych o częstotliwości dwukrotnie większej od najmniejszej częstotliwości podstawowej, które są generowane przez sterowany prostownik, gdzie ten filtr jest nazywany filtrem 2f", jest kondensatorem zwiększającym wartość pojemności w obwodzie kondensatora (66) służącego do filtrowania napięcia stałego w warunkach pracy przy innych napięciach roboczych. 11. Urządzenie według dowolnego z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienny tym, że wielonapięciowe zasilanie elektryczne prądem zmiennym i/lub stałym z sieci jezdnej jest wybierane z grupy zawierającej co najmniej następujące napięcia: 25 kvac/50 Hz, 15 kvac/16 2/3 Hz, 3 kvdc i 1,5 kvdc.
PL 215 457 B1 9 Rysunki
10 PL 215 457 B1
PL 215 457 B1 11
12 PL 215 457 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 4,92 zł (w tym 23% VAT)