Активний фільтр для фільтрації елекричного струму електротранспортного тягового пристрою

1. Активный фильтр для фильтрации электрического тока и, при необходимости, улучшения коэффициента мощности, для электротранспортного тягового устройства, питающегося от подвесного контактного провода однофазной сети, содержащего средство для съема напряжения с подвесного контактного провода и для распределения напряжения s тяговом оборудовании и вспомогательном оборудовании, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, два моста с принудительной коммутацией, включенные последовательно в цепи переменного тока и имеющие питание от соответствующих независимых источников постоянного напряжения, систему управления, осуществляющую принудительную коммутацию мостов для формирования в однофазной сети на основе различных уровней напряжения, образуемых комбинацией постоянных напряжений, создаваемых мостами, переменного тока, подаваемого в указанное средство для съема напряжения и для распределения напряжений, для компенсации гармоник, генерируемых тяговым оборудованием и вспомогательным оборудованием и, при необходимости, реактивной мощности, потребляемой указанным оборудованием электротранспортного тягового устройства, и возвращаемой в подвесной контактный провод. 2. Активный фильтр по п 1, отличающийся тем, что указанное средство для съема и распределе ния содержит входной трансформатор. 3. Активный фильтр по п.2, отличающийся тем, что он подключен в цепи переменного тока к выво дам специально выделенной для него вторичной обмотки входного трансформатора 4. Активный фильтр по п.2, отличающийся тем, что он подключен к цепи переменного тока ко вто ричной обмотке отдельного трансформатора, пер вичная обмотка которого включена параллельно первичной обмотке входного трансформатора. 5. Активный фильтр по п 2, отличающийся тем, что он включен в цепи переменного тока последо вательно с катушкой индуктивности и совместно с ней включен параллельно первичной обмотке входного трансформатора. 6. Активный фильтр по п.2, отличающийся тем, что он подключен к цепи переменного тока ко всей вторичной обмотке, питающей тяговое или вспо могательное оборудование. 7. Активный фильтр по п.2, отличающийся тем, что он подключен в цепи переменного тока к части первичной обмотки. 8. Активный фильтр по одному из пп 1-7, отли чающийся тем, что мосты содержат плечи, обра зованные двунаправленными твердотельными пе реключателями с принудительным отпиранием и запиранием. 9 Активный фильтр-по п.8, отличающийся тем, что каждый твердотельный переключатель содержит диод, включенный встречно параллельно с биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT) 10. Активный фильтр по одному из пп 8,9, отли чающийся тем, что каждый твердотельный перек лючатель содержит диод, включенный встречно параллельно с двухоперационным триодным ти ристором (GTO). 11. Активный фильтр по одному из пп 8-10, отли чающийся тем, что каждый твердотельный перек лючатель содержит диод, включенный встречно параллельно с тиристором МСТ. 12 Активный фильтр по одному из пп 1-11, отли чающийся тем, что содержит два моста, причем постоянное напряжение питания одного из них в три раза больше, чем постоянное напряжение пи тания другого. 13 Активный фильтр по п 12, отличающийся тем, что источник питания одного моста служит генера тор постоянного напряжения, а источником пита ния другого моста служит конденсатор 14. Активный фильтр по п.13. отличающийся тем, что система управления содержит контур обработки гармоник и контур регулирования напряжения на конденсаторе. 15 Активный фильтр по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что содержит три моста с одинаковыми по величине постоянными напряжениями питания. 00 см 29428 16 Активный фильтр по одному из пп 1-15, отличающийся тем, что система управления содер жит процессор для выбора гармоник, подлежащих подавлению. Настоящее изобретение относится к активному фильтру для фильтрации тока и, в случае необходимости, по8ышлния коэффициента мощности электротранспортн^го тягового устройства, питающегося от подвесного контактного провода однофазной сети Линии дальней связи, расположенные вдоль рельсовых путей, могут подвергаться воздействию тока электротранспортного тягового устройства, протекающего в контактном проводе сеті* и возвращающегося на подстанцию через рельсы и грунт. Эта совокупность элементов образует контур, генерирующий магнитное поле, которое может воздействовать как помеха, главным образом, на воздушные линии. Это воздействие проявляется сильнее, если проводники таких линий не защищены металлической оболочкой. Наведенное в проводниках со слабым током напряжение помехи при отсутствии защиты может создать опасность для обслуживающего персонала или для оборудования, а также обусловить отклонения в его работе. Железнодорожная система электропередачи создает помехи для сетей связи общего пользования при расстоянии между ними до 2-3 км. Электротранспорт, питающийся от подвесного контактного провода однофазной сети, оснащен входными преобразователями переменного тока в постоянный. Во Франции на большинстве электротранспортных тяговых устройств такими преобразователями являются смешанные мосты. Эти выпрямительные мосты характеризуются работой в режиме естественной коммутации, что сопровождается потреблением реактивной мощности и генерированием искажающей мощности. Было предпринято множество попыток установить на входе электротранспортного тягового устройства активный фильтр для уменьшения таких помех, источником которых являются в основном цепи питания, имеющие в своем составе мосты с естественной коммутацией. Использованный при этом принцип состоит в том, что параллельно подвесному контактному проводу включают управляемый источник тока, способный выдавать в сеть токи достаточной амплитуды. Управляемый источник тока может быть выполнен, например, на основе инвертора напряжения с обратной связью по тому, подключенного к вспомогательной обмотке тягового трансформатора. Постоянное напряжение, питающее инвертор, должно превышать пиковое напряжение вторичной обмотки. Эти попытки пока не привели к созданию устройств, применимых на практике. В основу изобретения положена задача создать такой активный фильтр для фильтрации тока для электротранспортного тягового устройства с питанием от подвесного контактного провода однофазной сети, который, благодаря управлению принудительной коммутации выпрямительных мостов, обеспечивал бы снижение уровня элект ромагнитных помех, создаваемых входными мостовыми преобразователями переменного тока в постоянный, и, в соответствующих случаях, повышение коэффициента мощности электротранспортного тягового устройства. Чтобы решить эту задачу, согласно изобретению, предложен активный фильтр, являющийся предметом настоящего изобретения, выдающий напряжения различных уровней и обладающий высокой эффективностью подавления гармоник тока питания. Таким образом, согласно изобретению предложен активный фильтр для фильтрации тока и, в случае необходимости, повышения коэффициента мощности электротранспортного тягового устройства с питанием от подвесного контактного провода однофазной сети, содержащий средство для съема напряжения с подвесного контактного провода и для распределения напряжений в тяговом оборудовании и во вспомогательном оборудовании этого электротранспортного тягового устройства, который согласно изобретению содержит по меньшей мере два моста с принудительной коммутацией и с источниками напряжения, мосты включены последовательно в цепи переменного тока и независимо один от другого питаются соответствующими постоянными напряжениями, активный фильтр содержит также систему управления, осуществляющую принудительную коммутацию мостов для формирования в однофазной сети на основе различных уровней напряжения, образуемых комбинацией постоянных напряжений, создаваемых мостами, переменного тока, подаваемого в указанное средство для съема и распределения напряжений, для компенсации гармоник, генерируемых тяговым оборудованием и вспомогательным оборудованием и, возможно, реактивной мощности, потребляемой указанным оборудованием электротранслортного тягового устройства, и возвращаемой в подвесной контактный провод. Средство для съема и распределения в основном содержит входной трансформатор. В этом случае активный фильтр может быть подключен в цепь переменного напряжения: - либо к выводам предназначенной для него вторичной обмотки входного трансформатора, - либо ко вторичной обмотке отдельного трансформатора, первичная обмотка которого шунтирует первичную обмотку входного транс форматора, - либо последовательно с индуктором и вместе с ним - параллельно первичной обмотке входного трансформатора, - либо к части или всей обмотке, питающей тяговое оборудование или вспомогательное обо рудование, - либо к части первичной обмотки. Преимуществом этих мостов является то, что они содержат плечи, образованные двунап 2942В равленными твердотельными переключателями с принудительным отпиранием и запиранием. Каждый из этих переключателей может содержать Диод, включенный встречно-параллельно с биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT), транзистором МСТ или двухоперационным триодным тиристором (GTO). В случае, когда активный фильтр содержит два моста, один из них может питаться постоянным напряжением, в три раза превышающим постоянное напряжение питания второго моста Одно из этих постоянных напряжений может выдаваться генератором постоянного напряжения, а другое - конденсатором. В случае, когда активный фильтр содержит три моста, они могут иметь одинаковые значения постоянного напряжения питания. Предложенная конструкция активного фильтра обеспечивает эффективное подавление гармоник, создаваемых, в основном, входными преобразователями переменного тока в постоянный а схеме питания злектротранспортного тягового устройства, и создающих помехи для линий дальней связи, а также, в соответствующих случаях, повышение коэффициента мощности этого тягового устройства, благодаря управлению принудительной коммутацией мостовых схем во входных преобразователях, что дает возможность управлять величиной и частотным спектром тока, протекающего в описанном ранее контуре, образованном контактным проводом, электротранспортным тяговым устройством, рельсом и грунтом. Сущность изобретения и другие его преимущества и особенности станут более понятными из приведенного ниже описания, которое приведено в качестве одного из вариантов реализации и сопровождается чертежами, где' - на фиг. 1 представлен входной трансфор матор злектротранспортного тягового устройства, оснащенного активным фильтром, согласно изоб ретению, - на фиг. 2-5 представлены различные ва рианты подключения активного фильтра согласно изобретению ко входному трансформатору элект ротранспортного тягового устройства, - на фиг. 6 представлена структурная схема системы управления активного фильтра согласно изобретению. На фиг.1 условно показан входной трансформатор 1 злеістротранслортного тягоаого устройства, оснащенного активным фильтром 2 согласно изобретению. Трансформатор 1 имеет первичную обмотку 3 и несколько вторичных обмоток 4, 6 и 6. Вторичные обмотки 4 и 5 предназначены для питания нагрузок 7 и 8, которые могут представлять собой тяговое или вспомогательное оборудование. Ко вторичным обмоткам 4 и 5 могут быть подключены пассивные фильтры. Они могут состоять, например, из включенных последовательно катушки индуктивности и конденсатора. Вторичная обмотка 6 питает число N мостов с принудительной коммутацией 9, 10„. Мосты включены последовательно в цепь переменного напряжения и независимо питаются постоянным напряжением Ui, U2,.... UN. В случае необходимости в схему может быть добавлено пассивное устройство 11 фильт рации Оно может быть включено между вторичной обмоткой 6 и активным фильтром 2. Оно может содержать две катушки индуктивности, соединенные последовательно и включенные между одним выводом вторичной обмотки 6 и активным фильтром 2, и конденсатор, включенный между общей точкой катушек и другим выводом вторичной обмотки 6. На фиг. 2 входной трансформатор 12 питает нагрузки 7 и 8. Активный фильтр 2 подключен ко вторичной обмотке трансформатора 13, первичная обмотка которого включена параллельно первичной обмотке входного трансформатора 12. На фиг. 3 представлен тот же входной трансформатор 12, питающий нагрузки 7 и 8 Активный фильтр 2 теперь включен последовательно с катушкой 14 индуктивности. Группа активный фильтр - катушка 14 включена параплельно первичной обмотке входного трансформатора. На фиг. 4 входной трансформатор 15 имеет вторичные обмотки, которые питают нагрузки 7, 8 и 16 Активный фильтр 2 подключен к части вторичной обмотки, питающей нагрузку 16. В случае необходимости он может быть подключен ко всей вторичной обмотке, т.е. параллельно нагрузке 16. На фиг. 5 трансформатор 17 питает нагрузки 7,8 и 18. Активный фильтр 2 подключен к части первичной обмотки входного трансформатора 17. В качестве примера опишем вариант, когда активный фильтр 2 состоит из двух мостов 9 и 10 (см фиг. 1). Мост 10 питается, например, от источника постоянного напряжения Иг, который может испопьзоваться как вспомогательный и выдает напряжение U Мост 9 питается от источника постоянного напряжения, которым может быть конденсатор, напряжение Ui на котором равно 3U. Так как постоянное напряжение на диагона* ли моста 10 относительно невелико (например, 500 В), згот мост может быть выполнен на полупроводниковых приборах - транзисторах IGBT. Каждое плечо моста 10 содержит один диод, включенный встречно-параллельно с транзистором. Благодаря этому мост 10 может работать с очень высокой частотой коммутации и выдавать три значения напряжения UJ: U, О, -U. Поскольку на диагонали моста 9 присутствует относительно высокое напряжение (1500 В, если U ~ 500 В), то мощность этого моста более значительна и в нем используются двухоперационные триодные тиристоры GTO, обладающие тепловым ограничением коммутации. Таким образом, каждое плечо моста 9 содержит один диод, включенный встречно-параллельно с тиристором GTO. Мост 9 работает с низкой частотой коммутации. Он выдает напряжение Ui, принимающее значения: Ui, О, -Ui (Ui=3U). Напряжение Us на обмотке 6 является комбинацией напряжений двух мостов. US==UJ+-UZ. Следовательно, U может принимать одно из девяти возможных значений: Ui-MJ, Ui, Ui-U, U, О, U, -Ui+U, -U,, -U,-U (U,=3U). Фиг. 6 иллюстрирует работу системы управления активным фильтром согласно изобретению. Управление активным фильтром осуществляется по двум контурам: контуру 19 обработки гармоник и контуру 20 регулирования напряжения Ui на кон 29428 ' денсаторе, выдающем напряжение питания для моста 9. Контур 19 является контуром активного фильтра и предназначен для обработки гармоник и, при необходимости, повышения коэффициента мощности. Эта обработка оптимизируется в зависимости от выбранного приоритета. Это может быть, например, обработка поофометрического тока (еще называемого эквивалентным током помех U). Блок 21 представляет силовую электрическую часть электротранспортного тягового устройства: входной трансформатор, выпрямительные мосты. Обозначение 22 представляет вывод для измерения токов помех, т е. гармоник. Гармоники обрабатываются процессором 23, выполняющим быстрое преобразование Фурье входных данных, который обрабатывает гармоники в зависимости от приоритетов, которые ему задаются (выбор частот, установление весовых коэффициентов), и выполняет обратное преобразование Фурье Цифровую обработку спектра сигнала производят для определения опорных значений гармоник тока, подлежащих компенсации. Эти значения поступают в схему 24. Контур 20 является контуром регулирования первой гармоники тока во вторичной обмотке активного фильтра. Целью этого регулирования является сохранение значения напряжения Ui постоянным и равным его опорному значению В контуре 20 происходит измерение напряжения U на конденсаторе и сравнение измеренно го значения с опорным с помощью компаратора 25. Разность значений ДІЛ поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора 26. Он вырабатывает основную гармонику тока вторичной обмотки активного фильтра. Следовательно, после выпрямления мостами активного фильтра создается постоянный ток, который позволяет регулировать напряжение на конденсаторе. Схема 24 вырабатывает опорное значение тока активного фильтра, первой гармоники и остальных гармоник 1»(гвт)- Путем сравнения на компараторе 27 токов 1в(тец и U (тока, измеренного во вторичной обмотке 6) получают разность токов Д1в, которую стремятся уменьшить до нуля. Уменьшение до нуля Д1Я выполняется с помощью схем 28 и 29 управления мостами, соответственно, 9 и 10. Схемы 28 и 29 являются логическими устройствами, их может быть столько, сколько мостов Регулятор 30 принимает на входе разность токов ДІ8 и вырабатывает команды управления для группы мостов с принудительной коммутацией. Схема 31 выполняет обработку измеренных значений Ui и иг / до UN (если есть N мостов). Схема 32 является логическим блоком, распознающим состояния каждого источника напряжения Ut и Ua (и в случае необходимости до UN). Изобретение содержит уменьшенное число компонент, что благоприятно влияет на габариты и массу, которые являются главными критериями дли любого бортового оборудования. -~1 ,!Г ~П Фиг. 1 я----- 1 29428 .12 Фиг. 2 Фиг. 3 15 \ 1 J 9 С» О 1 Фиг. 4 8 2 29428 I? \ * «ІУ 1 1 < о о с о о 2 ___ о о о * Фиг. 5 20 Фиг. 6 Тираж 50 екэ. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122)3-72-89 (03122)2-57-03 8 -18