ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНО-ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2007 года по МПК H02M7/08 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для уменьшения величины и пульсаций тока потребителей, имеющих в своем составе выпрямительно-инверторные преобразователи, в частности, на электроподвижном составе переменного тока.

В настоящее время электровозы однофазно-постоянного тока работают со значительными пульсациями выпрямленного тока, протекающими в цепи тяговых двигателей. Работа электровоза с большими пульсациями тока сопровождается искрением на коллекторе тягового двигателя, которое приводит к круговому огню на коллекторе и выходу двигателя из строя. Повышенные пульсации выпрямленного тока приводят также к увеличению потребляемого электровозом тока. Сущность проблемы заключается в уменьшении пульсаций тока, которая решается путем сглаживания формы выпрямленного тока, протекающего в цепи двигателя.

Известен преобразователь однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ80Т [1], который содержит трехобмоточный трансформатор и два блока выпрямления, каждый из которых состоит из выпрямителя, сглаживающего реактора и двигателя постоянного тока, состоящего из последовательно включенных обмоток якоря и возбуждения.

Первичная обмотка трансформатора подключена к сети. Вторичные обмотки трансформатора каждого блока выпрямления через выпрямитель связаны с соответствующими последовательно соединенными сглаживающим реактором и двигателем. Обмотки каждого сглаживающего реактора выполнены на отдельном магнитопроводе. Питание преобразователя осуществляется от сети переменного тока.

Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямителя каждого блока выпрямления, которые работают независимо друг от друга. В каждом из блоков выпрямитель преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора, вследствие чего на выходе выпрямителя формируется постоянное по величине напряжение пульсирующей формы. Под действием этого напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. В обмотке сглаживающего реактора под действием выпрямленного напряжения возникает э.д.с. самоиндукции. На интервалах увеличения выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, направленная встречно напряжению, замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока. В это время в реакторе происходит запасание электромагнитной энергии. Уменьшение выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, изменяющее направление на противоположное, поддерживает ток в цепи двигателя за счет энергии, запасенной в сглаживающем реакторе на предыдущем интервале времени.

Достоинство известного преобразователя заключается в уменьшении пульсаций выпрямленного тока двигателя за счет улучшения его формы, обусловленного наличием в цепи двигателя сглаживающего реактора. Уменьшение пульсаций тока, в свою очередь, снижает искрение на коллекторе двигателя и улучшает условия его работы.

Однако несмотря на уменьшение пульсации тока, их величина остается достаточно большой и достигает 30%, что является недостатком известного устройства. Это связано с тем, что дальнейшее уменьшение пульсаций тока ограничено массогабаритными показатели сглаживающего реактора, индуктивность которого определяется внутренними размерами кузова подвижного состава. Следствием этих ограничений остаются значительные пульсации выпрямленного тока, вызывающие искрения на коллекторе двигателя.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является преобразователь однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ85 [2], который содержит многообмоточный трансформатор и три блока выпрямления. Каждый блок содержит компенсатор, выпрямитель, сглаживающий реактор и двигатель постоянного тока. Двигатель состоит из последовательно включенных обмоток якоря и возбуждения. Компенсатор состоит из последовательно включенных конденсатора, индуктивности и двух встречно-параллельно включенных тиристора.

Первичная обмотка трансформатора подключена к сети. Вторичные обмотки трансформатора каждого блока выпрямления через выпрямитель связаны с соответствующими последовательно соединенными сглаживающим реактором и двигателем. Параллельно вторичным обмоткам трансформатора включен компенсатор. Обмотки сглаживающего реактора выполнены на отдельном магнитопроводе. Питание преобразователя осуществляется от сети переменного тока.

Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход каждого блока выпрямления, работающих автономно. Выпрямитель каждого блока выпрямления преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора, при этом на выходе выпрямителя формируется постоянное по величине напряжение пульсирующей формы. Под действием этого напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. В обмотке сглаживающего реактора под действием выпрямленного напряжения возникает э.д.с. самоиндукции. На интервалах увеличения выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, направленная встречно напряжению, замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока. В это время в реакторе происходит запасание электромагнитной энергии. При уменьшении выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, изменяющая направление на противоположное, поддерживается ток в цепи двигателя за счет энергии, запасенной в сглаживающем реакторе на предыдущем интервале времени.

Компенсатор создает емкостную составляющую тока, которая протекает в противофазе с индуктивным током нагрузки. Емкостная составляющая тока компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки. В этом случае фаза потребляемого тока приближается к питающему напряжению, способствуя повышению коэффициента мощности электровоза. Увеличение коэффициента мощности обеспечивает сокращение потребления реактивной мощности, что равносильно уменьшению количества потребляемой энергии.

Достоинством известного преобразователя является уменьшение на 1% потребления электровозом электрической энергии за счет увеличения коэффициента мощности, что обусловлено компенсацией реактивной мощности. При этом уровень пульсаций тока остается таким же, как в аналоге.

Недостаток известного преобразователя заключается в остающимися высокими пульсациями тока, которые составляют 30%. Это связано с тем, что дальнейшее уменьшение пульсаций тока ограничено массогабаритными показатели сглаживающего реактора, индуктивность которого определяется внутренними размерами кузова подвижного состава. Следствием этих ограничений остаются значительные пульсации выпрямленного тока, которые увеличивают искрения на коллекторе двигателя.

Другим недостатком преобразователя являются незначительная величина снижения расхода электроэнергии. Это обусловлено тем, что приближение фазы тока к питающему напряжению мало влияет на изменение величины пульсаций выпрямленного тока.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании преобразователя однофазно-постоянного тока, обладающего пониженным искрением и энергопотреблением, которые обусловлены уменьшением пульсаций выпрямленного тока за счет взаимовлияния переменных составляющих выпрямленного тока.

Для решения поставленной задачи в известном преобразователе, содержащем многообмоточный трансформатор, по крайней мере, два блока выпрямителя, каждый из которых включает выпрямитель, к выходу которого подключены последовательно включенные сглаживающий реактор и двигатель постоянного тока, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к сети, вторичные обмотки трансформатора соединены с входом выпрямителя блока выпрямления, обмотки сглаживающего реактора каждого блока выпрямления связаны между собой магнитной связью.

Наличие новой взаимосвязи между элементами устройства свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».

Взаимная магнитная связь обмоток сглаживающего реактора приводит к уменьшению пульсаций выпрямленного тока, которая влияет на уменьшение искрения на коллекторе двигателя и на снижение электропотребления. Это обусловлено тем, что благодаря магнитной связи в обмотке возбуждения образуется дополнительная э.д.с. взаимоиндукции, которая в дополнении э.д.с. самоиндукции уменьшает пульсации выпрямленного тока. Уменьшение пульсаций выпрямленного тока, протекающего через обмотку возбуждения двигателя, сопровождается уменьшением пульсаций магнитного потока. Это способствует улучшению условий коммутации, при которой снижаются искрения на коллекторе двигателя. Уменьшение энергопотребления связано с уменьшением действующего значения потребляемого электровозом тока. Это обусловлено тем, что пульсирующий ток по сравнению с его постоянной составляющей имеет несколько большее значение. Это связано с тем, что пульсации тока, складываясь с постоянным значением выпрямленного тока, вызывает на отдельных временных интервалах увеличение мгновенных значений тока. Потребляемый электровозом ток I_п прямо пропорционален величине пульсаций: I_п=k_пI_d, где k_п - коэффициент пульсаций выпрямленного тока, I_d - выпрямленный ток. Следовательно, уменьшение пульсаций тока приводит к уменьшению потребляемого тока и, соответственно, к уменьшению энергопотребления, что логически вытекает из существующего уровня техники.

Кроме того, выполнение обмоток сглаживающего реактора каждого блока выпрямления связанными между собой магнитной связью приводит к увеличению скорости движения электровоза. Такая причинно-следственная связь логически не вытекает из существующего уровня техники. Это обусловлено тем, что при магнитной связи обмоток сглаживающего реактора уменьшаются пульсации выпрямленного тока, что приводит к увеличению коэффициента мощности. Увеличение коэффициента мощности обусловлено тем, что первая гармоника пульсаций выпрямленного тока имеет реактивный характер и отстает от сетевого напряжения на 90 эл.град. Складываясь с сетевым током, пульсации выпрямленного тока вызывают еще большее отставание общего сетевого тока от напряжения, которое определяется фазовым углом сдвига ϕ между сетевым током и сетевым напряжением. Увеличение угла сдвига ϕ вызывает уменьшение cos ϕ и, соответственно, коэффициента мощности преобразователя к_м. Уменьшение угла сдвига ϕ, наоборот, увеличивает cos ϕ и коэффициент мощности к_м. Следовательно, уменьшение пульсаций тока приводит к увеличению коэффициента мощности.

Увеличение коэффициента мощности к_м приводит к уменьшению реактивной составляющей потребляемого электровозом тока. Известно, что протекание 1 А реактивного тока вызывает в 5-7 раз большие потери напряжения по сравнению с 1А активного тока. Следовательно, увеличение коэффициента мощности приводит к увеличению напряжения на токоприемнике электровоза за счет снижения потерь напряжения. Увеличение напряжения, в свою очередь, вызывает увеличение скорости движения электровоза, которая пропорциональна уровню напряжению на двигателях.

Таким образом, благодаря отличительным существенным признакам в совокупности с известными существенными признаками в заявляемом устройстве проявляется новый результат (увеличение коэффициента мощности и скорости электровоза), который логически не вытекает из известного уровня техники. Наличие нового результата, не вытекающего из известного уровня техники, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена схема преобразователя однофазно-постоянного тока.

На фиг.2 показаны диаграммы выпрямленных токов прототипа (а) и заявляемого устройства (в), полученные в результате математического моделирования работы устройства с помощью пакета прикладных программ Design Lab [3].

Преобразователь однофазно-постоянного тока содержит многообмоточный трансформатор 1 и два блока выпрямления 2. Каждый блок выпрямления 2 состоит из выпрямителя 3, сглаживающего реактора 4 и двигателя постоянного тока 5.

Первичная обмотка трансформатора 1 подключена к сети, вторичные обмотки трансформатора 1 каждого блока выпрямления 2 через выпрямитель 3 связаны с соответствующими последовательно соединенными сглаживающим реактором 4 и двигателем постоянного тока 5. Обмотки сглаживающих реакторов 4 каждого блока выпрямления 2 включены согласно на одном магнитопроводом и связаны между собой магнитной связью. Питание преобразователя однофазно-постоянного тока осуществляется от сети переменного тока.

Преобразователь электровоза однофазно-постоянного тока ВЛ65 содержит типовые устройства: трансформатор ОНДЦЭ-10000/25, выпрямитель ВИП-4000, сглаживающий реактор PC-78 и двигатель постоянного тока НБ-514.

Преобразователь однофазно-постоянного тока работает следующим образом.

Трансформатор 1 передает переменное напряжение необходимого уровня на вход каждого блока выпрямления 2. Выпрямитель 3 каждого блока выпрямления 2 преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора 1, при этом на выходе выпрямителя 3 формируется постоянное по величине напряжение пульсирующей формы. Под действием этого напряжения в цепи двигателя 5 протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. В обмотке сглаживающего реактора 4 под действием выпрямленного напряжения возникает э.д.с. самоиндукции. На интервалах увеличения выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, направленная встречно напряжению, замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока. В это время в реакторе 4 происходит запасание электромагнитной энергии. При уменьшении выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, изменяющая направление на противоположное, поддерживается ток в цепи двигателя 5 за счет энергии, запасенной в сглаживающем реакторе 4 на предыдущем интервале времени.

Протекание выпрямленного тока через обмотки сглаживающих реакторов создает в них магнитный поток. При согласном включении обмоток сглаживающих реакторов магнитный поток второй обмотки пронизывает первую обмотку и наводит в ней э.д.с. взаимоиндукции, которая препятствует изменению переменной составляющей выпрямленного тока. Такой же процесс происходит во второй обмотке под влиянием магнитного потока первой обмотки. В общем случае в каждой из обмоток сглаживающего реактора создается э.д.с. Е=Е_L+Е_м, которая обусловлена э.д.с. самоиндукции E_L и э.д.с. взаимоиндукции Е_м. Э.д.с.E₁ первой обмотки, пренебрегая ее активным сопротивлением, равна:

где I₁ - ток первой обмотки реактора,

I₂ - ток второй обмотки реактора,

L₁ - индуктивность первой обмотки,

M₁₂ - взаимоиндуктивность обмоток,

ω - круговая частота пульсаций выпрямленного тока.

Аналогичное выражение для э.д.с. Е₂ справедливо для второй обмотки реактора.

При согласном включении обмоток сглаживающего реактора в каждой из них наводится дополнительная э.д.с. взаимоиндукции Е_м, которая еще больше замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока. За счет этого уменьшается переменная составляющая выпрямленного тока, что приводит к сглаживанию пульсаций выпрямленного тока в каждом блоке выпрямления. Сглаживание пульсаций выпрямленного тока приводит к уменьшению пульсаций магнитного потока двигателя, что снижает искрения на его коллекторе.

Использование заявляемого устройства позволяет по сравнению с прототипом значительно уменьшить искрения на коллекторе и энергопотребление и увеличить коэффициент мощности и скорость движения электровоза.

Эксплуатационные испытания заявляемого устройства, проведенные на электровозе однофазно-постоянного тока ВЛ 65 в депо Белогорск Забайкальской ж.д., показали, что использование магнитосвязанных реакторов типа PC-78 приводит к уменьшению пульсаций выпрямленного тока на 17%. Это вызывало улучшения состояния поверхности коллектора тягового двигателя за счет снижения искрения. За счет снижения пульсаций тока среднемесячный расход электроэнергии электровоза уменьшился в среднем на 3,1%, коэффициент мощности электровоза увеличился в среднем на 0,025, а скорость движения электровоза возросла на 3,4%.

Источники информации

1. Электровоз ВЛ80 Т. Руководство по эксплуатации. Под ред. Б.Р.Бондаренко. М.: Транспорт, 1977.

2. Н.Н.Широченко и др. Улучшение энергетики электровозов переменного тока. М.: Железнодорожный транспорт, 1988 г., №7, с.33-37.

3. В.Д.Разевиг. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. - М.: Солон, 1999.

Преобразователь однофазно-постоянного тока относится к электротехнике и предназначен для уменьшения величины и пульсаций тока потребителей, имеющих в своем составе выпрямительно-инверторные преобразователи, в частности, на электроподвижном составе переменного тока. Технический результат достигается за счет снижения пульсаций выпрямленного тока благодаря магнитному связыванию сглаживающих реакторов. Уменьшение пульсаций выпрямленного тока на 17% вызывает улучшения состояния поверхности коллектора тягового двигателя за счет снижения искрения. Среднемесячный расход электроэнергии электровоза уменьшился в среднем на 3,1%, коэффициент мощности электровоза увеличился в среднем на 0,025, а скорость движения электровоза возросла на 3,4%. Для достижения технического результата преобразователь однофазно-постоянного тока содержит многообмоточный трансформатор, по крайней мере, два блока выпрямителя, каждый из которых включает выпрямитель, к выходу которого подключены последовательно включенные сглаживающий реактор и двигатель постоянного тока. Первичная обмотка трансформатора подключена к сети, вторичные обмотки трансформатора соединены с входом выпрямителя блока выпрямления, обмотки сглаживающего реактора каждого блока выпрямления связаны между собой магнитной связью. 2 ил.

Преобразователь однофазно-постоянного тока, содержащий многообмоточный трансформатор, по крайней мере, два блока выпрямле-, ния каждый из которых включает выпрямитель, к выходу которого подключены последовательно включенные сглаживающий реактор и двигатель постоянного тока, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к сети, а вторичные обмотки трансформатора соединены с входом выпрямителя блока выпрямления, отличающееся тем, что обмотки сглаживающего реактора каждого блока выпрямления связаны между собой магнитной связью.