УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК H02J3/01 H02M1/00 

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

В настоящее время на сети железных дорог переменного тока наибольшее распространение получили электровозы с зонно-фазным регулированием напряжения на тяговых двигателях. Работа этих электровозов сопровождается значительными искажениями формы сетевого напряжения, которые связаны с процессами коммутации в преобразователях. Начало коммутации вызывает резкое уменьшение напряжения на токоприемнике электровоза. Однако мгновенного уменьшения напряжения не происходит, так как вследствие наличия в контактной сети распределенных индуктивности и емкости возникают свободные колебания напряжения. Аналогичные процессы протекают в момент окончания коммутации, в результате чего на токоприемнике электровоза формируются свободные послекоммутационные колебания напряжения. Таким образом, искажения формы кривой питающего напряжения обусловлены свободными колебаниями напряжения, возникающими в моменты начала и окончания коммутации. Амплитуды этих колебаний определяются скачком принужденного напряжения в моменты начала и окончания коммутации. В процессе коммутации на токоприемнике электровоза возникают не только свободные колебания напряжения, но и токов.

Одним из путей уменьшения свободных колебаний напряжения и, соответственно, улучшения формы сетевого напряжения является разнофазное управление двумя преобразователями электровоза. Он заключается в разнесении во времени начал и окончаний коммутации различных групп преобразователей, что позволяет уменьшить скачек принужденного напряжения в начале и конце интервала коммутации. За счет этого уменьшается амплитуда послекоммутационных колебаний напряжения и, соответственно, улучшается форма напряжения на токоприемнике электровоза.

Известно устройство для преобразования формы напряжения потребителя, установленное на электровозе ВЛ85-001 [1], в котором использован принцип разнофазного регулирования напряжения. Известное устройство состоит из двух каналов регулирования, источника управляемых импульсов и блока задержки. Каждый из каналов регулирования содержит преобразовательный трансформатор, управляемый выпрямитель, усилитель и распределитель импульсов.

Первичные обмотки преобразовательных трансформаторов связаны с сетью, а их вторичные обмотки подключены к последовательно соединенным управляемому выпрямителю, усилителю и распределителю импульсов. Источник управляющих импульсов соединен с входом распределителя импульсов первого канала и через блок задержки - с входом распределителя импульсов второго канала.

Устройство работает следующим образом. Импульсы управления от источника управляющих импульсов через распределитель импульсов и усилитель поступают на управляемый выпрямитель первого канала непосредственно, а на управляемый выпрямитель второго канала - через распределитель импульсов, усилитель и блок задержки. Благодаря этому сигнал источника управляющих импульсов, поступает спустя некоторое время на вход второго канала регулирования, обеспечивая задержку во времени процесса коммутации во втором канале регулирования. Поскольку процессы коммутации в первом и втором каналах регулирования разнесены во времени, уменьшается величина скачка принужденного напряжения и, соответственно, амплитуда свободных высокочастотных колебаний напряжения. Блок задержки задерживает открытие тиристоров управляемого выпрямителя второго блока на величину полупериода свободных высокочастотных колебаний напряжения. В этом случае начиная со второго полупериода при сложении высокочастотных пульсаций напряжений каналов на токоприемнике электровоза достигается наибольшая компенсация высокочастотных колебаний напряжения и приближение формы напряжения на токоприемнике к синусоидальной форме.

Таким образом, поочередная коммутация, осуществляемая за счет задержки открытия тиристоров управляемого выпрямителя второго канала регулирования, позволяет уменьшить скачек принужденного напряжения и амплитуду свободных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза. При этом коэффициент формы кривой питающего напряжения приближается к коэффициенту формы синусоиды, что увеличивает устойчивость работы аппаратуры управления.

Другим достоинством устройства является повышение мощности электровоза. Это обусловлено тем, что компенсация пульсаций напряжения на токоприемнике вызывает уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения на тяговых двигателях электровоза. Уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, в свою очередь, приводит к снижению потерь напряжения в цепи выпрямленного тока и, соответственно, к повышению уровня напряжения на двигателях электровоза. Повышение напряжения на двигателях вызывает увеличение мощности электровоза.

Однако устройство разнофазного управления не в полной мере обеспечивает устойчивость работы аппаратуры управления и повышение мощности электровоза, что является недостатком известного устройства. Это обусловлено тем, что уменьшение свободных коммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза происходит лишь частично из-за того, что свободные колебания напряжения, возникающие при коммутации в преобразователях, имеют затухающий характер. При сложении этих пульсаций на токоприемнике электровоза первая полуволна высокочастотных пульсаций напряжения первого преобразователя оказывается нескомпенсированной пульсацией второго преобразователя. В дальнейшем происходит компенсация полуволн высокочастотных колебаний напряжения разных преобразователей, имеющих различную амплитуду. В этой связи в кривой напряжения на токоприемнике электровоза остаются нескомпенсированные высокочастотные пульсации напряжения, ухудшающие его форму. Ухудшение формы этого напряжения снижает устойчивость работы аппаратуры управления и уменьшает мощность электровоза.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство для преобразования формы напряжения потребителя, основанное на компенсации высокочастотных коммутационных колебаний тока [2].

Устройство для преобразования формы напряжения потребителя содержит блок компенсации, силовой блок, систему управления и датчик напряжения, имеющий первичную и вторичную обмотки.

Блок компенсации состоит из последовательно включенных устройства вычисления переменной составляющей напряжения, элемента сравнения, дельта-модулятора и четырехквадрантного преобразователя (источника тока компенсации).

Вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения является входом блока компенсации, а выход четырехквадрантного преобразователя - его выходом. Выход устройства вычисления переменной составляющей напряжения подключен к входу элемента сравнения, второй вход которого соединен с входом устройства вычисления переменной составляющей напряжения.

Силовой блок включает в себя преобразовательный трансформатор, тиристорный мост и двигатель. Первичная обмотка преобразовательного трансформатора является входом силового блока, а его вторичная обмотка подключена к входу тиристорного моста. Выход двигателя заземлен.

Вход блока компенсации соединен со вторичной обмоткой датчика напряжения, его первичная обмотка включена между сетью и «землей». Выход блока компенсации подключен к вторичной обмотке преобразовательного трансформатора. Система управления связана со вторым входом тиристорного моста.

Устройство работает следующим образом. Переменное напряжение сети поступает на первичную обмотку преобразовательного трансформатора. Тиристорный мост преобразует переменное напряжение вторичной обмотки преобразовательного трансформатора в регулируемое по величине постоянное напряжение, которое подается на двигатели. При этом импульсы системы управления регулируют уровень напряжения, подаваемого на двигатели.

Сигнал со вторичной обмотки датчика напряжения, пропорциональный напряжению сети (напряжению на токоприемнике электровоза), поступает на вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения. Устройство вычисления переменной составляющей напряжения выделяет из сигнала напряжения сети первую гармоническую составляющую, которая совпадает с моментами естественного перехода напряжения через ноль. Элемент сравнения вычисляет разность текущего значения напряжения на токоприемнике и его первой гармоники, в результате этого на выходе элемента сравнения формируется сигнал, пропорциональный высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике электровоза. Этот сигнал, преобразованный дельта-модулятором, поступает на вход четырехквадрантного преобразователя, который генерирует во вторичную обмотку преобразовательного трансформатора высокочастотную гармонику тока, пропорциональную высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике. Сгенерированная на внекоммутационных интервалах времени высокочастотная гармоника тока передается в первичную обмотку преобразовательного трансформатора, где она противофазно складывается со свободными высокочастотными колебаниями тока, возникающими во время коммутации. Таким образом, сгенерированные на внекоммутационных интервалах гармоники тока приводят к компенсации свободных колебаний тока и, соответственно, к улучшению формы напряжения на токоприемнике электровоза. При этом исключается развитие процесса свободных колебаний тока и напряжения в первичной обмотке преобразовательного трансформатора (токоприемнике электровоза). Во время процесса коммутации, занимающего значительную часть рабочего времени, вторичная обмотка преобразовательного трансформатора оказывается зашунтированной открытыми тиристорами тиристорного моста [3]. Поскольку выход четырехквадрантного преобразователя блока компенсации также подключен к вторичной обмотке преобразовательного трансформатора, во время коммутации его выход оказывается закороченным и напряжение на его выходе становится равным нулю. По этой причине на интервалах коммутации на выходе блока компенсации отсутствуют гармоники тока, генерируемые во вторичную обмотку преобразовательного трансформатора. Соответственно, не происходит компенсация свободных колебаний напряжения и тока в первичной обмотке преобразовательного трансформатора. Из-за этого в работе аппаратуры управления электровоза остаются сбои, а мощность электровоза реализуется не в полной мере.

Компенсация высокочастотных пульсаций напряжения в первичной обмотке преобразовательного трансформатора на внекоммутационных интервалах приводит повышению мощности и безотказной работы электровоза.

Однако известное устройство не в полной мере обеспечивает улучшение формы напряжения, поскольку во время коммутации на токоприемнике электровоза остаются искажения, обусловленные отсутствием в это время тока компенсации, генерируемого блоком компенсации (фиг.2,а). Нескомпенсированные высокочастотные пульсации напряжения на токоприемнике не позволяют в полной мере реализовать мощность электровоза и повысить устойчивость работы его оборудования.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для преобразования формы напряжения потребителя, обеспечивающего максимальное повышение устойчивости его работы, увеличение мощности электровоза, а также увеличение скорости его движения благодаря исключению искажения напряжения на токоприемнике на всем рабочем интервале времени, включая и интервал коммутации.

Для решения поставленной задачи устройство для преобразования формы напряжения потребителя, содержащее блок компенсации, включающий последовательно соединенные устройство вычисления переменной составляющей напряжения, элемент сравнения, дельта-модулятор и источник тока компенсации, силовой блок, включающий в себя последовательно соединенные преобразовательный трансформатор, тиристорный мост и двигатель, систему управления и датчик напряжения, имеющий первичную и вторичную обмотки, при этом вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения является входом блока компенсации, а выход источника тока компенсации - его выходом, первичная обмотка преобразовательного трансформатора является входом силового блока, выход двигателя заземлен, первичная обмотка датчика напряжения включена между сетью и «землей», его вторичная обмотка связана с входом устройства вычисления переменной составляющей напряжения и вторым входом элемента сравнения блока компенсации, а выход системы управления соединен с вторым входом тиристорного моста, дополнительно снабжено трансформатором тока, в качестве источника тока компенсации выбран автономный инвертор напряжения, при этом первичная обмотка трансформатора тока подключена между сетью и первичной обмоткой преобразовательного трансформатора, а вторичная обмотка соединена с выходом автономного инвертора напряжения блока компенсации.

Введение трансформатора напряжения, выбор автономного инвертора напряжения в качестве источника тока и новые взаимосвязи элементов в устройстве компенсации обеспечивают максимальное повышение мощности и безотказной работы электровоза. Это обусловлено тем, что ток компенсации формируется блоком компенсации в течение всего рабочего времени, включая и интервалы коммутации в силовом блоке. Вследствие того, что контур тока компенсации вынесен из контура коммутации, через него во время коммутации не протекает ток короткого замыкания и отсутствуют ограничения на образование тока компенсации на интервалах коммутации. Ток компенсатора генерируется в течение всего рабочего интервала, включая и интервалы коммутации. Поскольку компенсация высокочастотных колебаний тока производится на всем рабочем интервале времени, это приводит к полной компенсации высокочастотных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза и, соответственно, к приближению его формы к синусоидальной (фиг.2,б).

Кроме того, полная компенсация высокочастотных колебаний тока приводит к увеличению скорости движения электровоза, что явным образом не следует из уровня техники. Компенсация высокочастотных колебаний тока приводит к уменьшению потерь напряжения в индуктивных сопротивлениях контактной сети и соответствующему увеличению напряжения на токоприемнике электровоза. Увеличение напряжения на токоприемнике электровоза вызывает увеличения скорости его движения.

На фиг.1 показана схема заявляемого устройства.

На фиг.2 представлена форма напряжения на токоприемнике электровоза с плавным регулированием напряжения (2,а - для прототипа, 2,б - для заявляемого устройства). Из фиг.2 видно, что при работе электровоза с заявляемым устройством (кривая б) в форме напряжения на токоприемнике отсутствуют искажения, связанные с процессами коммутации.

Устройство для преобразования формы напряжения потребителя содержит блок компенсации 1, силовой блок 2, систему управления 3, датчик напряжения 4 и трансформатор тока 5.

Блок компенсации 1 включает в себя последовательно соединенные устройство вычисления переменной составляющей напряжения 6, элемент сравнения 7, дельта-модулятор 8 и источник тока компенсации 9. В качестве источника тока компенсации 9 использован автономный инвертор напряжения. Вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения 6 является входом блока компенсации 1, а выход автономного инвертора напряжения 9 - его выходом.

Силовой блок 2 состоит из последовательно соединенных преобразовательного трансформатора 10, тиристорного моста 11 и двигателя 12. Первичная обмотка преобразовательного трансформатора 10 является входом силового блока 2, выход двигателя 12 заземлен.

Первичная обмотка датчика напряжения 4 включена между сетью и «землей», вторичная обмотка датчика напряжения 4 связана с входом устройства вычисления переменной составляющей напряжения 6 и вторым входом элемента сравнения 7 блока компенсации 1. Первичная обмотка трансформатора тока 5 включена между сетью и первичной обмоткой преобразовательного трансформатора 10, вторичная обмотка трансформатора тока 5 соединена с выходом автономного инвертора напряжения 9 блока компенсации 2. Выход системы управления 3 соединен с вторым входом тиристорного моста 11.

Тиристорный мост выполнен на базе силовых тиристоров типа ТЛ 830, система управления реализована на базе логических элементов средней степени интеграции, автономный инвертор напряжения собран из силовых полностью управляемых IGBT-транзисторов, основу устройства вычисления переменной составляющей напряжения и дельта-модулятора составляют операционные усилители серии К140УД7.

Устройство для преобразования формы напряжения потребителя работает следующим образом. Сигнал со вторичной обмотки датчика напряжения 4, пропорциональный напряжению сети (напряжению на токоприемнике электровоза), поступает на вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения 6. Устройство вычисления переменной составляющей напряжения 6 выделяет из сигнала напряжения сети первую гармоническую составляющую, которая совпадает с моментами естественного перехода напряжения через ноль. Элемент сравнения 7 вычисляет разность текущего значения напряжения на токоприемнике и его первой гармоники, в результате этого на выходе элемента сравнения 7 формируется сигнал, пропорциональный высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике электровоза. Этот сигнал, преобразованный дельта-модулятором 8, поступает на вход автономного инвертора напряжения 9, который генерирует во вторичную обмотку трансформатора тока 5 высокочастотную гармонику тока, пропорциональную высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике. Сгенерированная высокочастотная гармоника тока передается в первичную обмотку трансформатора тока 5, где она противофазно складывается со свободными высокочастотными колебаниями тока, возникающими во время коммутации. Сгенерированные гармоники тока приводят к компенсации свободных колебаний тока и, соответственно, напряжения на токоприемнике электровоза. При этом исключается развитие процесса свободных колебаний тока и напряжения в первичной обмотке преобразовательного трансформатора (токоприемнике электровоза). Компенсация высокочастотных пульсаций напряжения приводит к улучшению формы напряжения на токоприемнике электровоза.

Благодаря тому, что контур тока компенсации высокочастотных пульсаций тока вынесен из контура коммутации, в нем во время коммутации не протекает ток короткого замыкания и отсутствуют ограничения на образование тока компенсации на интервалах коммутации. Ток компенсатора генерируется в течение всего рабочего интервала, включая и интервалы коммутации. Поскольку компенсация высокочастотных колебаний тока и напряжения происходит на всем рабочем интервале времени, включая и интервал коммутации, форма напряжения на токоприемнике улучшается и на интервалах коммутации, максимально приближаясь к синусоидальной форме. Поскольку импульсы управления формируются в соответствии с формой напряжения, при работе системы управления электровоза с улучшенной формой напряжения на токоприемнике исключаются сбои. Снижение пульсаций напряжения в цепи выпрямленного тока и увеличение за счет этого его действующего значения максимально увеличивается реализуемая локомотивом мощность.

Использование устройства для преобразования формы напряжения потребителя позволяет повысить напряжение на токоприемнике электровоза на 3,8% и увеличить его мощность на 2,7%.

Источники информации

1. Ю.М.Кулинич и др. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями. Вестник ВНИИЖТ, - 1986. №4, с.23-26.

2. Ю.М.Кулинич, Ю.С.Кабалык. Улучшение формы напряжения на токоприемнике электровоза переменного тока. Труды Всероссийской научно-практической конференции ученых транспорта, ВУЗов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки. Том 1. г.Чита, - 2006. с.242-246.

3. Ю.М.Кулинич. Устройство и работа выпрямительно-инверторного преобразователя. Локомотив, - 2001. №1, с.14-18.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в обеспечении максимального повышения устойчивости работы устройства, увеличении мощности электровоза, а также увеличении скорости его движения. Для этого устройство содержит блок компенсации, силовой блок, систему управления, датчик напряжения и трансформатор тока, при этом блок компенсации включает в себя устройство вычисления переменной составляющей напряжения, элемент сравнения, дельта-модулятор и автономный инвертор напряжения, силовой блок состоит из преобразовательного трансформатора, тиристорного моста и двигателя. Первичная обмотка датчика напряжения включена между сетью и «землей», вторичная обмотка датчика напряжения связана с входом устройства вычисления переменной составляющей напряжения и вторым входом элемента сравнения блока компенсации. Первичная обмотка трансформатора тока включена между сетью и первичной обмоткой преобразовательного трансформатора, вторичная обмотка трансформатора тока соединена с выходом автономного инвертора напряжения блока компенсации. Выход системы управления соединен с вторым входом тиристорного моста. 2 ил.

Устройство для преобразования формы напряжения потребителя, содержащее блок компенсации, включающий последовательно соединенные устройство вычисления переменной составляющей напряжения, элемент сравнения, дельта-модулятор и источник тока компенсации, силовой блок, состоящий из последовательно соединенных преобразовательного трансформатора, тиристорного моста и двигателя, систему управления и датчик напряжения, имеющий первичную и вторичную обмотки, при этом вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения является входом блока компенсации, а выход источника тока компенсации - его выходом, первичная обмотка преобразовательного трансформатора является входом силового блока, выход двигателя заземлен, первичная обмотка датчика напряжения включена между сетью и «землей», его вторичная обмотка связана с входом устройства вычисления переменной составляющей напряжения и вторым входом элемента сравнения блока компенсации, а выход системы управления соединен с вторым входом тиристорного моста, отличающееся тем, что в него дополнительно введен трансформатор тока, в качестве источника тока компенсации выбран автономный инвертор напряжения, при этом первичная обмотка трансформатора тока подключена между сетью и первичной обмоткой преобразовательного трансформатора, а вторичная обмотка соединена с выходом автономного инвертора напряжения блока компенсации.