УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВУМЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ Российский патент 2000 года по МПК H02J3/02 H02J3/24 

Изобретение относится к системам управления мощными преобразовательными установками и может быть использовано, в частности, для управления двумя тиристорными преобразователями на электроподвижном составе переменного тока.

Во время работы электровозов переменного тока на отдельных участках железной дороги наблюдается нестабильная работа электронной аппаратуры управления при сильных искажениях формы кривой питающего напряжения. Сущность этих искажений заключается в коммутации преобразователей электровоза. В момент начала коммутации часть обмоток тягового трансформатора каждой секции электровоза начинает работать в режиме короткого замыкания. Одновременное начало коммутации всех преобразователей обусловливает резкое уменьшение напряжения на токоприемнике. Однако мгновенного уменьшения напряжения не происходит, так как вследствие наличия в тяговой сети распределенных индуктивностей и емкости возникают свободные колебания напряжения. Аналогичные процессы происходят в момент окончания коммутации, когда прекращается короткое замыкание части обмоток тягового трансформатора, в результате чего возникают свободные послекоммутационные колебания напряжения. Результаты исследований, приведенные в [1] свидетельствуют о том, что частоты свободных колебаний, возникающие в начале и в конце коммутации, различны. Амплитуды колебаний напряжения в конце коммутации значительно превышают амплитуду свободных колебаний напряжения в момент ее начала.

Таким образом, искажения формы кривой питающего напряжения на токоприемнике электровоза складываются из провала напряжения во время коммутации тока в преобразователях и свободных колебаний, возникающих в моменты начала и окончания коммутации.

Одним из способов, позволяющим уменьшить эти искажения, является применение разнофазного управления двумя тиристорными преобразователями электровоза. Сущность разнофазного управления заключается в разнесении во времени начал, а также окончаний коммутации различных преобразователей. Задержка открытия тиристоров одного из преобразователей позволяет уменьшить скачок принужденного напряжения при включении и выключении каждого преобразователя и амплитуду свободных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза. При этом устройство разнофазного управления может быть реализовано с постоянной и регулируемой величиной угла задержки.

Известно устройство разнофазного управления с постоянной величиной задержки, установленное на электровозе ВЛ85 001 [1]. Устройство содержит два канала, каждый из которых состоит из преобразовательного трансформатора, управляемого выпрямителя, усилителя и распределителя импульсов, а также источник управляющих импульсов и блок задержки.

Управляемые выпрямители соединены с сетью через преобразовательные трансформаторы, а их входы связаны с последовательно включенными усилителями и распределителями. Источник управляющих импульсов соединен с входом распределителя первого канала и с входом блока задержки, выход которого связан с входом распределителя второго канала.

Импульсы управления поступают на управляемый выпрямитель первого канала непосредственно, а на выпрямитель второго канала - через блок фиксированной задержки.

Устройство обеспечивает сдвиг во времени начала и, соответственно, окончания коммутации преобразователей различных секций электровоза. Этот сдвиг достигается путем задержки импульсов управления, поступающих на одну из секций, с помощью блока задержки. В идеальном случае величина задержки импульсов должна равняться полупериоду свободных колебаний напряжения в контактной сети, в этом случае достигается полное демпфирование коммутационных колебаний напряжения.

Таким образом, введение блока задержки существенно снижает амплитуду послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза. Это позволило при определенном расположении электровоза приблизить коэффициент формы кривой питающего напряжения к коэффициенту формы синусоиды, что увеличивает устойчивость работы аппаратуры управления.

Однако принятая в устройстве постоянная величина задержки импульсов не позволяет полностью компенсировать коммутационные колебания напряжения. Это связано с тем, что частота колебаний напряжения после начала и окончания коммутации определяется меняющимся удалением электровоза от шин тяговой подстанции и параметрами тяговой сети. Поэтому оптимальная величина задержки, принятая в одних условиях, не является таковой в других условиях. Принятая в устройстве задержка в 8 эл.град. является оптимальной только при нахождении электровоза на расстоянии около 50 км от тяговой подстанции в 70-километровой консольной фидерной зоне. При другом удалении электровоза от шин тяговой подстанции в кривой питающего напряжения присутствуют колебания, вызванные нескомпенсированным коммутационным напряжением.

Известно также устройство разнофазного управления с регулируемой величиной угла задержки [2], осуществляющее управление с регулируемой задержкой одним из выпрямительных мостов двухмостового преобразователя.

Устройство для управления двухмостовым преобразователем содержит два канала, каждый из которых состоит из преобразовательного трансформатора, управляемого выпрямителя, усилителя и распределителя импульсов, а также трансформатор напряжения, формирователь импульсов, фильтр, RS-триггер, источник управляющих импульсов, усилитель-ограничитель, выпрямитель, элемент И и формирователь сигналов сброса.

Управляемые выпрямители соединены с сетью через преобразовательные трансформаторы, а их входы связаны с последовательно включенными усилителями и распределителями. Источник управляющих импульсов соединен с входом распределителя первого канала и входом S RS-триггера, выход которого связан с первым входом элемента И. Ко второму входу этого элемента подключена цепь из последовательно включенных трансформатора напряжения, фильтра, усилителя-ограничителя и выпрямителя. Выход элемента И соединен с входом формирователя сигналов сброса и входом формирователя импульсов, выход которого связан с входом распределителя второго канала. Выход формирователя сигналов сброса соединен с входом R RS-триггера.

Импульсы управления, формируемые источником управляющих импульсов, поступают без задержки на управляемый выпрямитель первого канала. На выпрямитель второго канала эти импульсы подаются с задержкой, создаваемой в формирователе импульсов во втором канале. Величина угла задержки определяется полупериодом послекоммутационных колебаний напряжения, выделяемых из напряжения сети с помощью трансформатора напряжения и фильтра. Таким образом, создание искусственного сдвига последовательности управляющих импульсов между каналами обеспечивает противоположную фазировку свободных колебаний послекоммутационного напряжения при коммутации двух мостов. Данное устройство управления позволяет снизить высокочастотные коммутационные колебания и тем самым существенно повысить качество питающего напряжения, надежность работы преобразовательного устройства.

Однако при формировании в устройстве угла задержки по форме послекоммутационных колебаний напряжения не учитывается вторая составляющая свободных колебаний напряжения, связанная с началом коммутации. Возникающие во время коммутации колебания напряжения в моменты ее начала и окончания имеют разную амплитуду и частоту. Свободные колебания в общем случае несинусоидальны и могут быть получены суммированием бесконечного числа гармоник [3, 4]. Фильтр устройства выделяет обе составляющие коммутационных колебаний напряжения. При этом высокочастотная составляющая, обусловленная началом коммутации, складывается с кривой послекоммутационных колебаний напряжения, искажая ее форму. Эти искажения приводят к смещению моментов естественного перехода этого напряжения через ноль и, соответственно, к ошибке формирования угла задержки, который определяется полупериодом послекоммутационных колебаний напряжения. Поэтому формирование угла задержки по искаженной форме послекоммутационных колебаний напряжения приводит к неполной компенсации свободных составляющих сетевого напряжения и ухудшению его формы, следствием которых является ухудшение работы преобразовательного устройства.

В основу изобретения положена задача создания устройства с регулируемым углом задержки для управления двумя преобразователями с полной компенсацией свободных послекоммутационных колебаний напряжения путем максимального приближения искаженной формы напряжения к синусоидальной. При этом за счет оптимального регулирования угла задержки устройство постоянно поддерживает минимальное значение среднеквадратичного отклонения, обеспечивая наилучшее приближение кривой сетевого напряжения к синусоидальной форме.

Для решения поставленной задачи в известное устройство для управления двумя преобразователями, содержащее два канала регулирования, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных преобразовательного трансформатора, тиристорного моста, усилителя и распределителя импульсов, источник импульсов, формирователь импульсов, трансформатор напряжения и фильтр, при этом вход распределителя первого канала соединен с выходом источника импульсов, вход распределителя второго какала - с формирователем импульсов, вход трансформатора напряжения соединен с сетью, а его выход подключен к фильтру, дополнительно введено устройство вычисления среднеквадратического отклонения, формирователь импульсов выполнен в виде адаптивного регулятора, фильтр - в виде частотно-выделяющего фильтра, при этом первый вход устройства вычисления среднеквадратического отклонения соединен с выходом трансформатора напряжения, второй вход - с выходом частотно-выделяющего фильтра, а выход устройства вычисления среднеквадратического отклонения подключен к второму входу формирователя импульсов, первый вход которого соединен с выходом источника импульсов.

Введение устройства вычисления среднеквадратического отклонения позволяет формировать угол задержки управления одним из тиристорных мостов по величине среднеквадратического отклонения сетевого напряжения от его первой гармоники. Среднеквадратическое отклонение этих величин определяется по формуле

где U_с(t) - функция сетевого напряжения,
U_i(t) - первая гармоника этого напряжения;
T - период сетевого напряжения.

Эта величина характеризует в целом форму сетевого напряжения по степени ее приближения к первой гармонике. Уменьшение величины δ² за счет регулирования угла задержки соответствует приближению формы сетевого напряжения к синусоиде. Это в свою очередь означает уменьшение в кривой сетевого напряжения высших гармонических составляющих, вызванных коммутацией тока в преобразователе. Таким образом, улучшение формы сетевого напряжения за счет регулируемой задержки способствует повышению устойчивости работы преобразователя электровоза.

На чертеже представлена блок-схема устройства для управления двумя преобразователями.

Устройство для управления двумя преобразователями содержит преобразовательные трансформаторы 1, 2, тиристорные мосты 3, 4, усилители 5, 6 и распределители импульсов 7, 8, составляющие два канала регулирования, источник импульсов 9, формирователь импульсов 10, трансформатор напряжения 11, фильтр 12 и устройство вычисления среднеквадратического отклонения 13.

В каждом из каналов регулирования последовательно соединены преобразовательные трансформаторы 1, 2, тиристорные мосты 3, 4, усилители 5, 6 и распределители импульсов 7, 8.

Трансформатор напряжения 11 выходом связан с входом фильтра 12 и первым входом устройства вычисления среднеквадратического отклонения 13, второй вход которого подключен к выходу фильтра 12. Источник импульсов 9 выходом соединен с входом распределителя импульсов первого канала 7 и первым входом формирователя импульсов 10, выход которого связан с входом распределителя импульсов второго канала 8. Формирователь импульсов 10 своим вторым входом соединен с выходом устройства вычисления среднеквадратического отклонения 13. Входы преобразовательных трансформаторов 1, 2 и трансформатора напряжения 11 подключены к сети.

Трансформаторы 1, 2 являются тяговыми трансформаторами ОНДЦЭ-10000/25-82 УХЛ 2 электровоза ВЛ85 [5]. Тиристорные мосты 3, 4 представляют собой полностью управляемый восьмиплечевой тиристорный преобразователь. Частотно-выделяющий фильтр 12 выполнен, как описано в [6].

Устройство вычисления среднеквадратичного отклонения 13 реализовано на операционных усилителях и транзисторах [7].

Устройство для управления двумя преобразователями работает следующим образом.

Источник импульсов 9 генерирует импульсы управления U_упр, которые через распределитель 7 и усилитель 5 поступают на управляющие электроды тиристоров моста 3 первого преобразователя, и, таким образом, задают его работу. Одновременно импульсы U_упр поступают на первый вход формирователя импульсов 10, осуществляющего задержку управляющих импульсов. С помощью трансформатора напряжения 11 и фильтра 12 выделяется сигнал U₁, пропорциональный первой гармонике сетевого напряжения. При этом фаза этого напряжения совпадает с точками естественного перехода через ноль сетевого напряжения. В этом случае устройство вычисления среднеквадратического отклонения 13 определяет степень отклонения сетевого напряжения от его первой гармоники. Сигнал с выхода устройства вычисления среднеквадратического отклонения 13 поступает на второй вход формирователя импульсов 10, задавая угол задержки импульсов управления U_упр2 вторым преобразователем. Формирователь импульсов регулирует угол задержки, обеспечивающий минимальную величину среднеквадратического отклонения напряжений.

Таким образом, формирование угла задержки открытия тиристоров по величине среднеквадратического отклонения обеспечивает максимально возможное приближение кривой сетевого напряжения к его первой гармонике и, соответственно, наиболее эффективную компенсацию послекоммутационных колебаний напряжения. Улучшенная форма сетевого напряжения позволяет повысить устойчивость и надежность работы оборудования электровоза.

Устройство для управления двумя преобразователями прошло испытания на электровозе переменного тока ВЛ65. Уменьшения искажений кривой сетевого напряжения позволило уменьшить минимальный угол открытия тиристоров преобразователя, что в свою очередь повлияло на уменьшение расхода электроэнергии на (4-5)%.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Ю.М. Кулинич и др. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями. - Вестник ВНИИЖТ, 1986, N 4.

2. A. c. N 1099376. Устройство для управления двухмостовым преобразователем. Ю.Б. Филипп и др. Опубл. в Б.И. 1984 N 23, МКИ Н 02 Р 13/18.

3. Кучумов В.А. и др. Электромагнитные процессы в тяготой сети с распределенной емкостью при коммутации тока в преобразователе электроподвижного состава. - Вестник ВНИИЖТ, 1984, N 1.

4. Кучумов В.А. и др. Электромагнитные процессы в тяговой сети с распределенной емкостью при выпрямлении тока в преобразователе электроподвижного состава. - Вестник ВНИИЖТ, 1984, N 8.

5. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Пушкарев Н.Г. и др. - М.: Транспорт, 1992.

6. Заявка на получение патента N 97105625 от 9.04.97, решение о выдаче патента от 11.02.98.

7. Е.А. Коломбет. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991.

Изобретение относится к системам управления мощными преобразовательными установками и может быть использовано, в частности, для управления двумя тиристорными преобразователями на электроподвижном составе переменного тока. Устройство для управления двумя преобразователями содержит два канала регулирования, источник импульсов, формирователь импульсов, трансформатор напряжения и фильтр. Каждый канал регулирования выполнен из последовательно соединенных преобразовательного трансформатора, тиристорного моста, усилителя и распределителя импульсов. При этом вход распределителя второго канала связан с формирователем импульсов, вход трансформатора напряжения соединен с сетью, а его выход подключен к фильтру. Новым является то, что в устройство для управления двумя преобразователями дополнительно введено устройство вычисления среднеквадратического отклонения, формирователь импульсов выполнен в виде адаптивного регулятора, фильтр - в виде частотно-выделяющего фильтра, при этом первый вход устройства вычисления среднеквадратического отклонения соединен с выходом трансформатора напряжения, второй вход - с выходом частотно-выделяющего фильтра, а выход устройства вычисления среднеквадратического отклонения подключен к второму входу формирователя импульсов, первый вход которого соединен с выходом источника импульсов. Устройство для управления двумя преобразователями существенно повышает качество питающего напряжения, надежность работы преобразовательного устройства и уменьшает расход электроэнергии на (4-5)% за счет компенсации высокочастотных послекоммутационных колебаний напряжения, что является техническим результатом. 1 ил.

Устройство для управления двумя преобразователями из последовательно соединенных преобразовательного трансформатора и тиристорного моста каждый, содержащее два канала регулирования, через последовательно соединенные распределитель импульсов и усилитель каждого из которых импульсы управления поступают на управляющие электроды тиристоров моста соответствующего преобразователя, кроме того, трансформатор напряжения и фильтр, при этом вход распределителя импульсов первого канала соединен с выходом источника импульсов, вход распределителя второго канала - с формирователем импульсов, осуществляющим задержку управляющих импульсов, вход трансформатора напряжения соединен с сетью, а его выход подключен к фильтру, отличающееся тем, что в него дополнительно введено устройство вычисления среднеквадратического отклонения, определяющее степень отклонения сетевого напряжения от его первой гармоники, фильтр выполнен в виде частотновыделяющего фильтра, при этом первый вход устройства вычисления среднеквадратического отклонения соединен с выходом трансформатора напряжения, второй вход - с выходом частотновыделяющего фильтра, а выход устройства вычисления среднеквадратического отклонения подключен ко второму входу формирователя импульсов, задавая угол задержки импульсов управления соответствующим преобразователем, а первый вход формирователя импульсов соединен с выходом источника импульсов.