ОДНОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1999 года по МПК B60L9/12 H02M7/72 

Устройство относится к электрифицированному транспорту и может быть использовано для управления тиристорным преобразователем на электроподвижном составе переменного тока с плавным регулированием напряжения.

Во время работы электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения наблюдается искажение формы кривой питающего напряжения в начале каждого полупериода. Сущность этого явления заключается в коммутации тока, происходящей в начале каждого полупериода на электровозах без плавного регулирования напряжения, одновременно работающих на одной фидерной зоне. Коммутация тока приводит к уменьшению по величине питающего напряжения. В этой связи ухудшаются потенциальные условия на вступающих в работу тиристорах преобразователя электровоза с плавным регулированием напряжения [1]. По этой причине открытие очередных тиристоров осуществляется с некоторой задержкой по времени относительно нулевого значения питающего напряжения, что необходимо для достижения такого напряжения на тиристорах, при котором произойдет их надежное открытие. Задержка открытия тиристоров определяется углом α_o, составляющим в настоящее время на электровозах ВЛ65, ВЛ85 9-11 эл. град [2].

Таким образом, задержка открытия тиристоров на α_o приводит к смещению основной гармоники тока относительно основной гармоники питающего напряжения. Это способствует уменьшению коэффициента мощности электровоза, определяющегося косинусом угла фазового сдвига cos ϕ между основными гармониками тока и напряжения.

Известно устройство, позволяющее уменьшить угол сдвига между основными гармониками тока и напряжения [3].

Устройство содержит трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, двигатель и компенсатор, включающий в себя последовательно включенные индуктивность и емкость. При этом индуктивность и емкость имеют фиксированные параметры.

Вторичная обмотка трансформатора соединена с входом выпрямительно-инверторного преобразователя. К выходу выпрямительно-инверторного преобразователя подключен тяговый двигатель. Емкость и индуктивность включены последовательно. Цепочка емкость и индуктивность подключены параллельно вторичной обмотке трансформатора.

Устройство с компенсированным преобразователем способствует улучшению коэффициента мощности электровоза за счет включения в схему электровоза компенсатора, позволяющего приблизить основную гармонику тока, потребляемую электровозом, к основной гармонике питающего напряжения, тем самым уменьшить угол сдвига между ними и компенсировать потребление электровозом реактивной мощности. Таким образом, действие компенсатора сводится к сдвигу по фазе основной гармоники потребляемого тока.

Наличие компенсатора в рассматриваемом устройстве не улучшает формы напряжения, прикладываемого к тиристорам преобразователя в начале каждого полупериода. Его действие сводится лишь к сдвигу по фазе кривой тока электровоза. Сохранение в устройстве задержки открытия тиристоров α_o преобразователя ведет к снижению коэффициента мощности электровоза. Поэтому при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения может произойти сбой в работе преобразователя, поскольку отсутствуют потенциальные условия на вступающих в работу тиристорах.

Кроме того, использование в устройстве индуктивности и емкости с фиксированными параметрами приводит к тому, что фазовый сдвиг, вносимый ими, является постоянным. Это не позволяет в полной мере корректировать ток компенсатора в различных режимах работы электровоза, так как нагрузкой потребляется различная реактивная мощность.

Известно также устройство для автоматического регулирования реактивной мощности [4] , позволяющее автоматически поддерживать максимально возможную величину коэффициента мощности преобразователя.

Однофазный преобразователь переменного тока содержит трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, первый тиристор, второй тиристор, емкость и индуктивность с фиксированными параметрами.

Вторичная обмотка трансформатора соединена со входом выпрямительно-инверторного преобразователя. Первый и второй тиристоры включены встречно-параллельно. Емкость и индуктивность включены последовательно с цепочкой встречно-параллельно соединенных тиристоров. Цепочка емкость, индуктивность и встречно-параллельно соединенные тиристоры включены параллельно выпрямительно-инверторному преобразователю.

Включение цепочки емкость и индуктивность параллельно выпрямительно-инверторному преобразователю обеспечивает сдвиг по фазе гармоники потребляемого преобразователем тока. Приближение основной гармоники тока к основной гармонике питающего напряжения обеспечивает повышение коэффициента мощности преобразователя.

Кроме того, возможность регулирования тока компенсатора за счет встречно-параллельного соединения первого и второго тиристоров позволяет максимально приблизить основную гармонику тока к основной гармонике напряжения при различных режимах работы электровоза.

Таким образом, устройство обеспечивает компенсацию реактивной мощности преобразователя и поддержание его коэффициента мощности на максимально возможном уровне, без влияния на улучшение формы кривой напряжения на тиристорах преобразователя.

Дальнейшему повышению коэффициента мощности препятствуют искажения формы кривой питающего напряжения. Эксплуатация устройства в условиях сильных искажений формы кривой питающего напряжения приводит к сбоям в его работе. Искажения формы кривой напряжения представляют собой уменьшение питающего напряжения в начале каждого полупериода, связанного с коммутацией тока. В свою очередь это уменьшение напряжения приводит к недопустимому уменьшению анодного напряжения на тиристорах выпрямительно-инверторного преобразователя, при котором невозможно их надежное включение.

Для устранения этого недостатка увеличивается задержка открытия тиристоров α_o относительно нулевых значений питающего напряжения, что вызывает уменьшение коэффициента мощности преобразователя.

Таким образом, необходимость задержки открытия тиристоров приводит к заведомо заниженному значению коэффициента мощности преобразователя. Достижение максимально возможного коэффициента мощности возможно лишь при значительном увеличении емкости конденсатора компенсаторного устройства, что является неоправданным по его стоимости и массогабаритным показателям.

В основу изобретения положена задача повышения коэффициента мощности преобразователя за счет уменьшения угла сдвига между основной гармоникой питающего напряжения и тока при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения.

Поставленная задача решается тем, что в известном однофазном преобразователе переменного тока, содержащем трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, соединенный входом со вторичной обмоткой трансформатора, а выходом с нагрузкой, первый и второй тиристоры, емкость и индуктивность, дополнительно включен резистор, при этом последовательно соединенные первый тиристор, емкость и резистор подключены между анодной и катодной группами выпрямительно-инверторного преобразователя, а последовательно соединенные второй тиристор и индуктивность - параллельно емкости.

Введение в устройство резистора позволяет открывать тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя в моменты перехода питающего напряжения через ноль, так как открытие тиристоров происходит не под действием искаженного по форме питающего напряжения, а за счет электрической энергии предварительно заряженной емкости устройства. К вступающим в работу тиристорам прикладывается напряжение емкости в течение интервала времени, соответствующего паспортному времени их включения. Далее анодное напряжение на тиристорах поддерживается за счет питающего напряжения, достигающего к этому времени необходимой величины.

Таким образом, все искажения питающего напряжения, прикладываемые к тиристорам выпрямительно-инверторного преобразователя, компенсируются напряжением разряжающейся в это время емкости устройства.

Полученная таким образом форма напряжения, прикладываемая к тиристорам, позволяет искусственно открывать их в моменты перехода питающего напряжения через ноль, приблизить основную гармонику тока к основной гармонике питающего напряжения и тем самым повысить коэффициент мощности преобразователя.

На чертеже представлена схема однофазного преобразователя переменного тока.

Однофазный преобразователь переменного тока выполнен следующим образом. Он содержит трансформатор 1, выпрямительно-инверторный преобразователь 2, первый и второй тиристоры 3, 4, емкость 5, индуктивность 6, резистор 7 и нагрузку 8.

Вторичная обмотка трансформатора 1 соединена с входом выпрямительно-инверторного преобразователя 2. К выходу выпрямительно-инверторного преобразователя 2 подключена нагрузка 8. Первый тиристор 3, емкость 5 и резистор 7 соединены последовательно. Цепочка первый тиристор 3, емкость 5 и резистор 7 подключена между анодной и катодной группой выпрямительно-инверторного преобразователя 2. Второй тиристор 4 и индуктивность 6 соединены последовательно. Цепочка второй тиристор 4 и индуктивность 6 подключена параллельно емкости 5.

В заявляемом преобразователе, установленном на электровозе ВЛ65, в качестве емкости используются выпускаемые отечественной промышленностью конденсаторы КСК-1, 05-125-1У1, которые имеют допускаемое напряжение 1050 В и массу 60 кг. В качестве индуктивности используются стандартные дроссели электровоза типа ИШ-95 с разомкнутым магнитопроводом стержневого типа. В качестве первого и второго тиристоров использованы штатные электровозные тиристоры Т353-800-28-80 УХЛ 2.

Работает однофазный преобразователь переменного тока следующим образом. В начале первого полупериода напряжения, соответствующего интервалу времени 0-π, при направлении напряжения вторичной обмотки трансформатора слева направо ток нагрузки замыкается через открытые тиристоры V2, V4 выпрямительно-инверторного преобразователя. При этом, учитывая индуктивный характер нагрузки, ток во вторичной обмотке трансформатора протекает в направлении, противоположном направлению его вторичного напряжения. На предыдущем интервале работы преобразователя емкость была заряжена с полярностью, соответствующей "плюсу" на нижней по схеме обкладке, а "минусу" - на верхней.

В момент времени, соответствующий точке перехода напряжения трансформатора через ноль, подаются импульсы управления на тиристоры V1, V3 выпрямительно-инверторного преобразователя и первый тиристор. Через открытый первый тиристор и тиристоры V2, V4 начинается разряд емкости через вторичную обмотку трансформатора. Благодаря введению резистора в цепь разряда емкости ее разряд имеет апериодический характер. Одновременно с этим через открытые первый тиристор и тиристоры V2, V4 преобразователя к аноду тиристоров V1, V3 прикладывается прямое напряжение, способствующее переключению их в открытое состояние. Схемное время разряда емкости должно превышать паспортное время включения t_вкл тиристоров V1, V3. В этом случае после интервала времени 0-t, равного t_вкл, происходит переключение тиристоров V1, V3 из закрытого состояния в открытое. Процесс переключения сопровождается резким уменьшением напряжения на аноде тиристоров и соответственно увеличением их проводимости. Это приводит к образованию контуров коммутации тиристоров преобразователя под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора. Ее особенностью является то, что вторичная обмотка трансформатора на этапе коммутации по существу оказывается закороченной накоротко тиристорами преобразователя V1-V4, находящимися в это время в открытом состоянии. Коммутация тиристоров осуществляется током короткого замыкания, быстро достигающего за время коммутации тока нагрузки даже при пониженном напряжении трансформатора. При превышении тока коммутации прямого анодного тока тиристоров V2, V4 коммутация заканчивается, и ток нагрузки переходит на тиристоры V1, V3 преобразователя. Одновременно с этим меняется направление тока во вторичной обмотке трансформатора, совпадая с направлением ее напряжения.

Величина емкости выбирается с таким расчетом, чтобы после завершения процесса коммутации тиристоров преобразователя через нее и соответственно первый тиристор протекал небольшой по величине остаточный ток, превышающий ток удержания первого тиристора, что позволяет дозаряжать емкость до амплитудного напряжения вторичной обмотки трансформатора через открытые тиристоры V1, V3. Полярность емкости после дозаряда соответствует "плюсу" на верхней по схеме обкладке и "минусу" - на нижней. Окончание дозаряда емкости соответствует уменьшению ее зарядного тока до нуля, что вызывает закрытие первого тиристора.

Для разряда емкости в следующем полупериоде ее необходимо перезарядить, сменив полярность напряжения на ее обкладках. Перезаряд емкости осуществляется с помощью второго тиристора, на управляющий электрод которого подают импульс управления во второй половине полупериода. Емкость перезаряжается через второй тиристор и индуктивность. После перезарядки емкости, соответствующей "плюсу" на нижней по схеме обкладке, ток перезаряда, протекающей через нее и второй тиристор, уменьшается до нуля. Второй тиристор переходит в закрытое состояние, полярность напряжения емкости соответствует требуемой полярности для ее работы во втором полупериоде.

Во второй полупериод (π-2π) работы преобразователя напряжение вторичной обмотки трансформатора меняет направление на противоположное (справо налево). На этом интервале времени происходит коммутация тока с тиристоров V1, V3 на тиристоры V2, V4 преобразователя. Как и в ранее рассмотренном полупериоде 0-π, коммутация тиристоров осуществляется под действием напряжения емкости, полярность которой в начале второго полупериода соответствует "плюсу" на нижней по схеме обкладке. Процессы, происходящие в схеме преобразователя на этом интервале, аналогичны описанным выше. После момента времени t > 2π процессы в схеме преобразователя повторяются.

Однофазный преобразователь переменного тока прошел испытания на электровозе переменного тока ВЛ 65. Во время проведения испытания преобразователя не отмечалось отказов и сбоев в работе схемы электровоза.

Работа преобразователя по заявляемой схеме позволила повысить энергетические показатели электровоза: коэффициент мощности увеличился на 0.065, что позволило снизить расход электроэнергии на (5-6%).

Источники информации
1. Власьевский С.В. Разработка, совершенствование и повышение эффективности работы устройств и систем управления электровозов переменного тока с рекуперативным торможением. - Автореферат обобщающего доклада на соискание ученой степени доктора транспорта. - Владивосток, 1997, с. 63.

2. Электровоз ВЛ 85. Руководство по эксплуатации /Б.А. Тушканов, Н.С. Пушкарев и др. - М.: Транспорт, 1982, 480 с.

3. Бибинеишвили З.Г. Улучшение энергетических характеристик электровозов переменного тока с зонно-фазовым регулированием выпрямленного напряжения. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М., ВНИИЖТ, 1990, с. 26.

4. А.С. Копанев, Б.М. Наумов, И.К. Юренко. А.с. N 754567 (СССР). Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности.

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и предназначено для использования на электроподвижном составе переменного тока при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения. Однофазный преобразователь переменного тока содержит трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, два тиристора, емкость, индуктивность и резистор. Емкость, первый тиристор и резистор соединены последовательно и включены между анодной и катодной группами выпрямительно-инверторного преобразователя. Второй тиристор и индуктивность включены последовательно и подключены параллельно емкости. Устройство повышает коэффициент мощности электровоза за счет уменьшения угла сдвига между основными гармониками питающего напряжения и тока. 1 ил.

Однофазный преобразователь переменного тока, содержащий трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, соединенный входом со вторичной обмоткой трансформатора, а выходом - с нагрузкой, первый и второй тиристоры, емкость и индуктивность, отличающийся тем, что в него дополнительно включен резистор, при этом последовательно соединенные первый тиристор, емкость и резистор подключены между анодной и катодной группами выпрямительно-инверторного преобразователя, а последовательно соединенные второй тиристор и индуктивность - параллельно емкости.