Спосіб перетворення електричної енергії та пристрій для його здійснення

1 Спосіб перетворення елеісгричної енергії, який характеризується тим, що електричну енергію принаймні з одного першого джерела енергії (1) із заданою постійною напругою (U1) та другого джерела енергії (12) із заданою змінною напругою (U2) принаймні через один мережний вентильний перетворювач електроенергії, тобто перший перетворювач струму (2), і принаймні через один перетворювач споживчої лінії, тобто другий вентильний перетворювач струму (8), перетворюють в електроенергію для електричного агрегата або споживача змінного струму (11, 11'), який має на кожну фазу змінного струму (R, S, Т) принаймні першу частину обмотки (MW1) і другу частину обмотки (MW2), причому ці частини обмотки (MW1, MW2) є відокремленими одна від одної струмопровідними обмотками, який відрізняється тим, що перед переключенням від другого джерела енергії (12) із заданою змінною напругою (U2) на перше джерело енергії (1) із заданою постійною напругою (U1), паралельні частини обмотки (MW1, MW2), заживлювані другим перетворювачем (8), розділяють одну від одної, причому другу частину обмотки (MW2) з'єднують з першим перетворювачем (2), а першу частину обмотки залишають з'єднаною з другим перетворювачем (8), внаслідок чого різні частини обмотки (MW1, MW2) живляться від різних перетворювачів (2,8), а перед переключенням від першого джерела енергії (1) із заданою постійною напругою (U1) на друге джерело енергії (12) із заданою змінною напругою (U2) роздільні частини обмотки (MW1, MW2) споживача змінного струму (11, 11і) КОЖНОЮ фазою змінного струму підключають (R, S, Т) електрично паралельно до другого перетворювача (8), причому другу частину обмотки (MW2) ВІДДІЛЯЮТЬ від першого перетворювача (2), а перший перетворювач (2) із режиму роботи як перетворювач споживчої лінії переключають на режим роботи як мережний перетворювач 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що при живленні енергією з джерела постійної напруги (U1) різні частини обмотки (MW1, MW2) для зменшення зворотного впливу на мережу працюють при взаємному фазовому зсуві вихідної напруги різних перетворювачів струму (2, 8) 3 Пристрій для перетворення електричної енергії, який містить перший вентильний перетворювач (2) і другий вентильний перетворювач (8), з'єднані з першим джерелом енергії (1), яке створює постійну напругу (U1) або з другим джерелом енергії (12), яке створює змінну напругу (U2), другий перетворювач (8) на стороні змінного струму, з'єднаний з електричним агрегатом або принаймні із споживачем змінної напруги (11, 11'), і споживач змінного струму (11, 11'), який має в кожній фазі змінного струму (R, S, Т) принаймні першу частину обмотки (MW1) і другу частину обмотки (MW2), який відрізняється тим, що при живленні першого перетворювача (2) і другого перетворювача (8) від першого джерела енергії (1) із постійною напругою (U1) перша частина обмотки (MW1), з'єднана з другим перетворювачем (8), а друга частина обмотки (MW2) - з першим перетворювачем (2), причому перетворювачі (2, 8) працюють як інвертори, частини обмотки (MW1, MW2) при живленні першого перетворювача (2) від другого джерела енергії (12) із змінною напругою (U2) підключені паралельно до другого перетворювача (8), причому перший перетворювач (2) працює як випрямляч, а другий перетворювач (8) як інвертор Винахід стосується способу та електричного кола для перетворення електричної енергії Винахід базується на рівні техніки, відомому з патенту DE 4138256 У ньому описана двосистем О 00 о (О 46028 на концепція тягового приводу, призначеного для перемінної напруги 15кВ в мережі, 16 2/ЗГц і постійної напруги в мережі ЗкВ Приводні двигуни живляться через один або два інвертори від проміжної ланки постійної напруги У випадку мережі перемінного струму проміжна ланка постійної напруги живиться через два включені паралельно регулятори (із характеристикою в чотирьох квадрантах), а у випадку мережі постійної напруги через два послідовно включені регулятори постійної напруги Винахід вирішує задачу вдосконалення вищевказаного способу і електричного кола для перетворення електричної енергії таким чином, щоб це перетворення можна було здійснити при менших витратах технічних засобів Для цього потрібно скоротити як обсяг електромонтажних робіт, так і зменшити транспортовані маси, насамперед у поворотному візку тягового приводу Сутність винаходу полягає утому, що при роботі від першого джерела енергії з постійною напругою перша частина обмотки двигуна з'єднана другим вентильним перетворювачем струму, тоді як друга частина обмотки двигуна - із першим вентильним перетворювачем струму, а при роботі від другого джерела енергіїз перемінною напругою обидві частини обмотки, тобто перша і друга частини обмотки, підключені паралельно до другого вентильного перетворювача струму Переважна форма виконання полягає у тому, що при живленні енергією від джерела постійної напруги зменшення вищих гармонік струму в мережі досягається шляхом фазового зсуву вихідної напруги обох вентильних перетворювачів струму, внаслідок чого забезпечується зменшення додаткових втрат у двигуні, а також пульсуючих моментів Суттєва перевага винаходу полягає утому, що при ньому зменшується число застосовуваних кабелів для підключення двигуна і число застосовуваних розподільників трифазного струму Спрощується комутаційна апаратура для переключення джерел енергії з різною напругою, а також зменшується маса кабелів, які монтуються у поворотному візку Вимагаються лише деякі критичні комутаційні операції У зв'язку з цим критичними комутаційними операціями є операції всередині проміжної ланки постійної напруги в перетворювачі, оскільки там необхідно монтувати перемикачі з дуже низькою індукцією Винахід базується на двохточковій схемотехніці і не потребує регуляторів із високим або низьким настроюванням і ВІДПОВІДНИХ дроселів При перетворенні електроенергії від джерел постійної напруги необхідним є лише однократне перетворення енергії Нижче наводиться опис винаходу на прикладі виконання Зокрема, показані на фіг 1 - багатосистемна схема приводу з вентильним перетворювачем і двома машинами, які мають по дві частини обмоток на кожну фазу перемінного струму у з'єднанні зіркою при роботі в мережі постійної напруги, на фіг 2 - багатосистемна схема приводу при роботі в мережі перемінної напруги Однакові деталі позначені на кресленнях однаковим чином, причому показані лише важливі для розуміння винаходу елементи На фіг 1 номером 1 позначене джерело енергії, у даному випадку мережа постійної напруги U1, рівної ЗкВ, яке питає через струмоприймач проміжну ланку постійної напруги ZK вентильного перетворювача 2, ZK, 8 Перший вентильний перетворювач струму 2 складається з чотирьох часткових перетворювачів, паралельно підключених на стороні постійного струму Обидва верхні часткові перетворювачі можуть бути з'єднані через перший вимикач S1 із першою вторинною обмоткою SW 1 мережевого трансформатора Т, який на первинній стороні підключений до мережі перемінної напруги 12 із перемінною напругою U2, що дорівнює 15кВ, 16 2/ЗГц Обидва нижні часткові перетворювачі першого перетворювача 2 можуть бути з'єднані через другий вимикач S2 із другою первинною обмоткою SW2 мережевого трансформатора Т Позначений номером 2 1 верхній частковий перетворювач першого перетворювача 2 застосовується у гальмівному режимі роботи споживача перемінного струму, тобто двигуна або електричної машини 11, 11' у з'єднанні з вимикачем S11 і гальмівним опором R1 у якості регулятора гальмівної енергії або обмежувача миттєвої напруги, щоб уникнути небажаних перенапруг Паралельно до першого перетворювача 2 у проміжній ланці постійної напруги ZK включений перший конденсатор проміжної ланки С1 Перший перетворювач 2 через проміжну ланку постійної напруги ZK включений послідовно з інвертором або другим перетворювачем 8, причому позитивний полюс 3 першого перетворювача 2 підключений до мережі постійної напруги U1, негативний полюс 4 першого перетворювача 2 через п'ятий вимикач S5 з'єднаний із позитивним полюсом 5 другого перетворювача 8, а негативний полюс 6 другого перетворювача 8 через дросель фільтра L, дев'ятий вимикач S9 і принаймні через одну вісь 9 транспортного засобу з'єднаний із рейкою 10 і заземлений Паралельно до другого перетворювача 8 у проміжній ланці постійної напруги ZK підключений другий конденсатор С2 проміжної ланки і гальмівний регулятор із гальмівним опором R2 або миттєвий обмежувач напруги 7, щоб усунути небажані перенапруги і вивести їх через гальмівний опір R2 Електричні машини 11, 11' мають трифазні обмотки двигуна або статора, які розділені на симетричні трифазні обмотувальні системи або на першу і другу частини обмотки MW1, MW2, кожна з яких має однакову КІЛЬКІСТЬ ВИТКІВ Обидві частини обмотки MW1, MW2 змонтовані за схемою зірки і розділені одна від одної сьомим вимикачем S7 Сполучені сьомим вимикачем S7 КІНЦІ другої частини обмотки MW2 сполучені через восьмий вимикач S8 і трифазні проводи Р', S', Т з виходами перемінної напруги трьох нижніх часткових перетворювачів струму першого перетворювача 2 Сполучені сьомим вимикачем S7 КІНЦІ першої частини обмотки MW1 підключені через трифазні лінії R, S, Т до виходів перемінної напруги другого перетворювача 8 46028 Зображені на схемі положення з підключеними затискачах, на яку повинен бути розрахований на стороні постійної напруги послідовно першим двигун 11, 11' При цій стабілізованій напрузі в перетворювачем 2 і другим перетворювачем 8 проміжній ланці, яка дорівнює 2кВ, у режимі робовідповідають живленню включених за схемою зірти від джерела перемінної напруги можна насамки електричних машин 11, 11' з мережі 1 постійної перед шляхом застосування конструктивних еленапруги ЗкВ Якщо мережа 1 постійної напруги не ментів даного класу напруги досягти економії з в змозі прийняти накопичену гальмівну енергію, погляду розмірів, ваги і вартості остання повинна перетворитися у гальмівних опоНапруга в проміжній ланці в режимі постійної рах R1, R2 у тепло У цьому положенні конденсанапруги для включених послідовно перетворюватори С1 і С2 проміжної ланки в паралельному чів 2 і 8 становить приблизно 1,5кВ при максимумі з'єднанні служать опорними конденсаторами для до 2,1 кВ Тим самим для обмоток двигуна забеззгладжування напруги в проміжному колі ZK попечується те, що магнітна індукція в повітряному стійної напруги Конденсатор СЗ, який через перезазорі головного поля збудження в двигуні 11, 11' микач 6 теж підключений паралельно до конденприблизно однакова в режимах роботи від постійсаторів С1 і С2, існує з тією ж метою для згладжуної або перемінної напруги вання напруги Дві обмотувальні системи в двигуні 11, 11' можна зсунути на кут 307 р або ж виконати у вигляді На фіг 2 показана схема роботи від мережі 12 обмоток з КІЛЬКІСТЮ полюсів 2р (р - КІЛЬКІСТЬ пар перемінної напруги Переключення від мережі 1 полюсів) Завдяки зсунутому розташуванню трипостійної напруги до мережі 12 перемінної напруги фазних обмоток MW1, MW2 значно зменшуються відбувається в знеструмленому стані, причому пульсуючі моменти в двигуні Кожна частина обмовимикачі S1, S2, S3, S4, S7 і S10 замкнуті, а вимитки MW1, MW2 електричної машини 11, 11' може качі S5, S8, S9 і S11 розімкнуті Перемикач S6 пебути, зрозуміло, змонтована і застосована не за реключається таким чином, що конденсатор СЗ і схемою зірки, а за схемою трикутника котушка L включаються послідовно При цьому струмоприймач мережі 1 постійної напруги втягуЗавдяки зсунутій подачі тактових імпульсів у ється Частини обмотки MW1, MW2 електричних інвертори при режимі роботи від постійної напруги машин 11, 11' включені паралельно Перший пев проміжній ланці ZK постійної напруги досягаєтьретворювач 2, який у режимі роботи від постійної ся зниження зворотного впливу на мережу напруги є перетворювачем споживчої лінії або Зрозуміло, обмотки двигунів 11, 11' можна інвертором, є тепер перетворювачем мережного розділити і на частини MW1, MW2, КІЛЬКІСТЬ ЯКИХ струму або випрямлювачем Дросель фільтра L перевищує два У цьому випадку потрібно застодіє тепер разом із підключеним послідовно консувати більше двох приводних вентильних переденсатором СЗ у якості відсмоктуючого контуру творювачів Тоді можна поширити багатосистемну для компенсації пульсуючої потужності мережі структуру на менші ПОСТІЙНІ напруги мережі Доцільно розрахувати відсмоктуючий контур на Якщо багатосистемну структуру потрібно розподвійну частоту мережі, причому він вимагається повсюдити на ІНШІ перемінні напруги мережі, натільки при однофазній мережі перемінної напруги приклад, 25кВ, то треба вибрати мережеві трансформатори з іншими коефіцієнтами трансформаПри живленні електричних машин 11, 11' від ції Можливе також застосування з мережею помережі перемінної напруги можна у нормальному стійної напруги 1,5кВ Замість електричної машини випадку повертати гальмівну енергію в мережу 11, 11' можна було б також передбачити непокаперемінної напруги, причому другий перетворювач заний трансформатор, який, наприклад, підключевиконує роль випрямлювача, а перший перетвоний до іншої мережі перемінної напруги і служить рювач 2 - інвертора Всі змонтовані вимикачі моспоживачем перемінного струму в даній системі жуть приводитися в дію вручну, електродвигунами, передачі енергії пневматикою або гідравлікою В якості керованих електричних вентилів у перетворювачах 2, 8 і 7 Перелік позначень застосовуються напівпровідникові ключі ВІДПОВІД1 - мережа постійної напруги, джерело енергії, НО до сучасного стану техніки можуть бути засто2 - перший вентильний перетворювач струму, совані, наприклад, тиристори GTO або транзистовипрямлювач, мережовий перетворювач, ри Важливе значення має те, що обмотки двигунів 2 1 - гальмівний регулятор, частковий переMW1, MW2 як у режимі роботи від мережі перетворювач 2, мінної напруги, так і в режимі роботи від мережі 3 - позитивний полюс перетворювача 2, постійної напруги діють у паралельному вмиканні 4 - негативний полюс перетворювача 2, Тому КІЛЬКІСТЬ ПІДВОДІВ до двигуна може бути об5 - позитивний полюс перетворювача 8, межена шістьма, тобто в кожній обмотці MW1, 6 - негативний полюс перетворювача 8, MW2 для живлення трифазним струмом є три 7 - гальмівний регулятор або обмежувач митпроводи до двигуна Для можливого послідовного тєвої напруги, вмикання частин обмоток MW1, MW2 можна обі8 - другий вентильний перетворювач або інйтися без трифазного вимикача і трьох додаткових вертор, перетворювач споживчої лінії, проводів до двигуна, оскільки у цих частинах від9 - вісь транспортного засобу, сутня будь-яка помітна різниця в напругах при ре10 - рейка, жимі роботи від мережі постійної напруги і режимі 11, 11' - електрична машина, електродвигун, роботи від мережі перемінної напруги споживач енергії перемінного струму, У режимі перемінної напруги напруга в промі12 - мережа перемінної напруги, джерело жній ланці дорівнює 2кВ Звідси отримується певенергії, на максимальна напруга головної гармоніки на С1, С2 - конденсатори проміжної ланки, 46028 СЗ - конденсатор, L - дросель фільтра, дросель відсмоктуючого контуру, MW1 - перша частина обмотки машини 11, 11', MW2 - друга частина обмотки машини 11, 11', R1, R2 - гальмівні опори, Р, S, Т, Р', S', Т -трифазні проводи, фази перемінного струму, 8 S 1 - S11 - вимикачі, перемикачі, комутаційні пристрої, SW1, SW2 - повторні обмотки трансформаторів Е, Т - мережеві трансформатори, U1 - постійна напруга, U2 - перемінна напруга, ZK - проміжна ланка постійної напруги, ° - кут зсуву фаз, фазовий кут ФІГ. 1 Фіг. 2 46028 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 10