ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНО-ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2009 года по МПК H02M7/162 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для электроподвижного состава переменного тока с плавным регулированием напряжения.

В настоящее время электровозы переменного тока с плавным регулированием напряжения работают с низким значением коэффициента мощности, что приводит к потреблению непроизводительной реактивной мощности и загрузке тяговой сети реактивным током. Коэффициент мощности современных электровозов с плавным регулированием напряжения достигает 0,84 лишь в конце 4 зоны регулирования.

Известно, что коэффициент мощности преобразователя однофазно-постоянного тока в общем случае определяется по формуле:

где φ - угол сдвига между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока,

ν - коэффициент искажения формы потребляемого тока.

Угол φ для многозонного преобразователя рассчитывается по приближенной формуле [Руденко B.C. и др. Основы преобразовательной техники:

Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1980. - 424 с.]:

где α₀ - минимальный нерегулируемый угол, необходимый для открытия тиристоров,

γ - угол, характеризующий продолжительность коммутации тока в тиристорах преобразователя.

Таким образом, коэффициент мощности к_м зависит от минимального нерегулируемого угла открытия тиристоров α₀, продолжительности коммутации γ и от формы выпрямленного тока. Повышение к_м всевозможно, в частности, за счет уменьшения минимального нерегулируемого угла открытия тиристоров α₀.

Известен преобразователь однофазно-постоянного тока [Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Б.А.Тушканов и др. - М.: Транспорт, 1992, - 480 с.], который содержит трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, сглаживающий реактор и двигатель. Трансформатор имеет три вторичные обмотки. Выпрямительно-инверторный преобразователь представляет собой совокупность восьми полупроводниковых плеч вентилей, которые образуют схемы 1-4 зон регулирования. Половина полупроводниковых плеч вентилей соединена анодами и образует анодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя, другая половина полупроводниковых плеч вентилей соединена катодами и образует катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя. Каждое полупроводниковое плечо вентилей состоит из n ветвей, каждое из которых содержит m последовательно включенных вентилей, а именно - тиристоров.

Первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока. Выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя. Между выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя включены последовательно соединенные сглаживающий реактор и двигатель.

Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямительно-инверторного преобразователя. Выпрямительно-инверторный преобразователь преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора в постоянное по величине и плавно регулируемое по фазе выпрямленное напряжение пульсирующей формы. В режиме тяги выпрямленное напряжение, поступающее на двигатель, формируется под действием нерегулируемых по фазе импульсов управления α₀, задержанных по фазе импульсов α_0з, а также регулируемых по фазе импульсов α_рег [Кулинич Ю.М. Устройство и работа выпрямительно-инверторного преобразователя. - Локомотив, 2001, №1, с.14-18]. Импульсы управления подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя от системы управления электровоза. Величина выпрямленного напряжения определяется фазой регулируемых по фазе импульсов α_рег. Импульсы управления α_рег подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя в соответствии с номером зоны регулирования. При подаче импульсов α_рег на очередные тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя происходит дополнительное подключение к цепи двигателя секции вторичной обмотки трансформатора и, соответственно, увеличение на нем напряжения. Чем раньше от начала полупериода подаются импульсы α_рег, тем выше уровень напряжения на двигателе электровоза.

С помощью импульсов управления α₀ и α_0з происходит уменьшение в начале каждого полупериода величины выпрямленного напряжения. Уменьшение напряжения происходит за счет вывода из работы одной из секций вторичной обмотки трансформатора. Под действием выпрямленного напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. Сглаживающий реактор уменьшает уровень пульсаций выпрямленного тока до приемлемой для работы двигателя величины.

Для открытия тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя требуется некоторый уровень напряжения между его анодом и катодом. Поскольку импульсы управления α₀ и α_0з подаются на тиристоры в начале полупериода, открытие тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя импульсами α₀ и α_0з осуществляется с некоторой задержкой относительно начала полупериода сетевого напряжения, при котором достигается необходимый для их открытия уровень напряжения между анодом и катодом. Эта задержка открытия тиристоров определяется углом α₀, составляющим в выпрямительно-инверторном преобразователе электровоза переменного тока 9±2 эл.град. При работе выпрямительно-инверторного преобразователя на интервале времени 0-α₀ в форме выпрямленного напряжения образуются участки отрицательного напряжения.

Достоинство известного устройства заключается в повышенной силе тяги электровоза и весе поезда, что обусловлено плавным изменением фазы регулирующих импульсов α_рег, подаваемых на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя. Благодаря плавному регулированию выпрямленного напряжения, подаваемого на двигатель, осуществляется плавное изменение силы тяги локомотива, что позволяет более полно реализовать его сцепные свойства и, соответственно, увеличить силу тяги электровоза и вес поезда.

Однако известное устройства имеет недостаточно высокие энергетические показатели: коэффициент мощности преобразователя и уровень напряжения на двигателе.

Пониженное напряжения на двигателе обусловлено тем, что в форме выпрямленного напряжения, подаваемого на двигатели, образуются в начале каждого полупериода участки с отрицательным напряжением. Участки отрицательного напряжения снижают среднее значение выпрямленного напряжения. Продолжительность участков с отрицательным напряжением определяется углом управления α₀. Чем больше угол α₀, тем меньше среднее значение выпрямленного напряжения на двигателе.

Кроме того, задержка открытия тиристоров на угол α₀ (формула 2) приводит к увеличению угла сдвига φ первой гармоники потребляемого тока от питающего напряжения и, соответственно, уменьшению (формула 1) cos φ и коэффициента мощности к_м электровоза.

Наиболее близким по техническим решениям и достигаемому результату является преобразователь однофазно-постоянного тока [Власьевский С.В. и др. Дальневосточный государственный университет путей сообщения на пути содействия инновационному развитию, Наука и транспорт, 2008, с.58-62], который содержит трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, обратный вентиль, сглаживающий реактор и двигатель. Трансформатор имеет три вторичные обмотки. Выпрямительно-инверторный преобразователь представляет собой совокупность восьми полупроводниковых плеч вентилей, которые образуют схемы 1-4 зон регулирования. Половина полупроводниковых плеч вентилей соединена анодами и образует анодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя, другая половина полупроводниковых плеч вентилей соединена катодами и образует катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя. Каждое полупроводниковое плечо вентилей состоит из n ветвей, каждое из которых содержит m последовательно включенных вентилей, а именно - тиристоров.

Первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока. Выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя. Анод обратного вентиля соединен с анодной группой, а катод - с катодной группой выпрямительно-инверторного преобразователя. Между выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя включены последовательно соединенные сглаживающий реактор и двигатель.

Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямительно-инверторного преобразователя. Выпрямительно-инверторный преобразователь преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора в постоянное по величине и плавно регулируемое по фазе выпрямленное напряжение пульсирующей формы. В режиме тяги выпрямленное напряжение формируется под действием нерегулируемых по фазе импульсов управления α₀, задержанных по фазе импульсов α_0з, а также регулируемых по фазе импульсов

α_рег. Импульсы управления подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя от системы управления электровоза. Величина выпрямленного напряжения на двигателе определяется фазой импульсов α_рег. Импульсы управления α_рег подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя в соответствии с зоной регулирования. При подаче импульсов α_рег на очередные тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя происходит дополнительное подключение к цепи двигателя секции вторичной обмотки трансформатора и, соответственно, увеличение на нем напряжения. Чем раньше от начала полупериода подаются импульсы α_рег, тем выше становится уровень напряжения на двигателе электровоза.

В начале каждого полупериода производится выключение из работы одной из секций вторичной обмотки трансформатора с помощью импульсов управления α₀ и α_0з. Это уменьшает величину выпрямленного напряжения на двигателе. Под действием сформированного выпрямленного напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. Сглаживающий реактор уменьшает уровень пульсаций выпрямленного тока до приемлемой для работы двигателя величины.

При работе на каждой зоне регулирования на интервалах с положительной величиной выпрямленного напряжения обратный вентиль находится в закрытом состоянии под действием выпрямленного напряжения. На интервалах 0-α₀ с отрицательными значениями выпрямленного напряжения обратный вентиль переходит в проводящее состояние. На этих интервалах ток двигателя замыкается через обратный вентиль, а выпрямленное напряжение на двигателе определяется падением напряжения на обратном вентиле, находящемся в открытом состоянии. Поскольку это напряжение близко к нулю, вместо интервалов с отрицательным напряжением образуются интервалы с нулевым напряжением. Вследствие чего на двигатель поступает напряжение, среднее значение которого увеличено за счет исключения участков с отрицательным напряжением.

Для открытия тиристора выпрямительно-инверторного преобразователя требуется некоторый уровень напряжения между его анодом и катодом. Поскольку импульсы управления α₀ и α_0з подаются на тиристоры в начале полупериода, открытие тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя импульсами α₀ и α_0з осуществляется с некоторой задержкой относительно начала полупериода сетевого напряжения, при котором достигается необходимый уровень напряжения между анодом и катодом тиристоров. Эта задержка открытия тиристоров определяется углом α₀, составляющим в выпрямительно-инверторном преобразователе электровоза переменного тока 9±2 эл.град.

Достоинство известного преобразователя однофазно-постоянного тока заключается в том, что сила тяги электровоза и вес перевозимого им поезда остаются достаточно высокими.

Другим достоинством преобразователя является повышенный уровень напряжения на двигателе, достигаемый за счет исключения участков с отрицательным напряжением в выпрямленном напряжении, что приводит к повышению среднего значения выпрямленного напряжения, подаваемого на двигатель.

Однако значение коэффициента мощности к_м преобразователя остается на недостаточно высоком уровне. Это обусловлено тем, что минимальный угол открытия тиристоров α₀ выпрямительно-инверторного преобразователя имеет значение 9±2 эл.град. Это приводит к тому, что ток, потребляемый электровозом, отстает от питающего напряжения на некоторый угол φ и вызывает уменьшение cos φ и, соответственно, коэффициента мощности к_м преобразователя.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке преобразователя однофазно-постоянного тока, обладающего повышенным значением cos φ и, как следствие, повышенным значением коэффициента мощности к_м преобразователя за счет уменьшения минимального угла открытия тиристоров α₀ при сохранении высокого уровня напряжения на двигателе.

Для решения поставленной задачи в преобразователе однофазно-постоянного тока, содержащем трансформатор с тремя вторичными обмотками, выпрямительно-инверторный преобразователь с не менее четырьмя полупроводниковыми плечами вентилей, образующих одну и более зон регулирования, сглаживающий реактор и двигатель, в котором одна половина полупроводниковых плеч вентилей соединена анодами и образует анодную группу, другая половина - катодами и образует катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя, первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока, выводы его вторичной обмотки - к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя, сглаживающий реактор и последовательно соединенный с ним двигатель соединены с выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя, при этом каждое полупроводниковое плечо вентилей включает n ветвей, каждая из которых содержит m последовательно включенных вентилей, в выпрямительно-инверторном преобразователе каждая ветвь полупроводникового плеча представляет собой один тиристор и m-1 диод.

Наличие существенного отличительного признака «каждая ветвь полупроводникового плеча представляет собой один тиристор и m-1 диод» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».

Выполнение каждой ветви полупроводникового плеча в виде последовательно соединенных одного тиристора и m-1 диодов приводит к повышению cos φ и, как следствие, коэффициента мощности к_м преобразователя.

Это обусловлено тем, что для включения полупроводникового плеча вентилей, состоящего из одного тиристора и (m-1) диода, требуется меньшее напряжение. При подаче в начале полупериода импульса α₀ к полупроводниковому плечу вентилей прикладывается прямое анодное напряжение вторичной обмотки трансформатора, которое распределяется между тиристором и (m-1) диодами. Р-n переходы диодов смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению через них тока, поэтому все напряжение ветви прикладывается к одному тиристору. Поэтому требуемое для его включения напряжение можно достичь при меньшем значении минимального угла открытия тиристоров: , принимая примерно линейную форму напряжения вторичной обмотки трансформатора на интервале 0-α₀ (0-9 эл.град.). В этом случае в соответствии с формулой 2 уменьшение угла приводит к уменьшению фазового угла сдвига φ между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока и, соответственно, к увеличению cos φ. В свою очередь увеличение cos φ приводит к увеличению (формула 1) коэффициента мощности к_м преобразователя электровоза. Следовательно, выполнение полупроводникового плеча вентилей в виде одного тиристора и включенных последовательно с ним (m-1) диодов приводит к увеличению cos φ и к_м электровоза.

Выполнение каждой ветви полупроводникового плеча в виде последовательно соединенных одного тиристора и m-1 диодов приводит к повышению cos φ и, как следствие, коэффициента мощности к_м преобразователя.

Причинно-следственная связь «Выполнение каждой ветви полупроводникового плеча из одного тиристора и m-1 диодов в преобразователе приводит к повышению его коэффициента мощности» явным образом не следует из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена схема одного силового блока преобразователя однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ85.

На фиг.2 представлена схема полупроводникового плеча вентилей преобразователя однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ85.

Преобразователь однофазно-постоянного тока содержит трансформатор 1, выпрямительно-инверторный преобразователь 2, сглаживающий реактор 3 и двигатель 4. Выпрямительно-инверторный преобразователь 2 представляет собой совокупность с не менее четырьмя полупроводниковыми плечами вентилей 5, образующих одну и более зон регулирования. Каждое полупроводниковое плечо вентилей 5 включает n ветвей, каждая из которых содержит собой один тиристор 6 и m-1 диод 7.

Преобразователь однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ85 имеет восемь полупроводниковых плеч вентилей 5, образующих четыре зоны регулирования, а каждая ветвь полупроводникового плеча вентилей 5 содержит один тиристор 6 и четыре диода 7.

Преобразователь однофазно-постоянного тока электровоза ЭП1 имеет восемь полупроводниковых плеч вентилей 5, образующих четыре зоны регулирования, а каждая ветвь полупроводникового плеча вентилей 5 содержит один тиристор 6 и три диода 7.

Первичная обмотка трансформатора 1 подключена к питающей сети переменного тока. Вторичная обмотка трансформатора 1 содержит три секции. Выводы вторичной обмотки трансформатора 1 подключены к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя 2. Между выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя 2 включены последовательно соединенные сглаживающий реактор 3 и двигатель 4.

В преобразователе однофазно-постоянного тока трансформатор электровоза ВЛ85, сглаживающий реактор и двигатель являются типовыми узлами электровоза переменного тока. В выпрямительно-инверторном преобразователе использованы тиристоры Т353-800-28-80 УХЛ2 28 класса, рассчитанные на прямой анодный ток 800 А. В каждую ветвь полупроводникового плеча вентилей последовательно с тиристором включены два диода ВЛ800, рассчитанные на ток 800 А.

Преобразователь однофазно-постоянного тока работает следующим образом.

Трансформатор 1 передает переменное напряжение вторичной обмотки необходимого уровня на вход выпрямительно-инверторного преобразователя 2. Тиристоры 6 переключают секции I, II, III вторичных обмоток трансформатора 1 при подаче на них импульсов управления α₀, α_0з и α_рег. При открытии тиристора 6 ветви диоды 7 этой же ветви переходят в проводящее состояние.

При одновременном открытии n ветвей вентилей полупроводникового плеча 5 оно переходит в проводящее состояние.

Все импульсы управления подаются на тиристоры 6 выпрямительно-инверторного преобразователя от системы управления электровоза (на фиг. не показана) в зависимости от зоны регулирования.

В этом случае в режиме тяги на первой зоне регулирования при положительной полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора 1 (u₂>0) регулируемые по фазе импульсы α_рег подаются на тиристоры 6 четвертого (V4) и пятого (V5) полупроводниковых плеч вентилей 5 анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя 2, а нерегулируемые по фазе импульсы α₀ - на тиристоры 6 пятого (V5) полупроводникового плеча вентилей катодной группы. При отрицательной полярности (u₂<0) напряжения вторичной обмотки трансформатора импульсы α_рег подаются на тиристоры 6 полупроводникового плеча вентилей V6 анодной группы, а импульсы α₀ - на тиристоры 6 плеча V3 катодной группы. Под действием этих импульсов управления из напряжения секции I (фиг.1) вторичной обмотки трансформатора формируется выпрямленное напряжение на двигателе электровоза.

На второй зоне регулирования при u₂>0 регулируемые по фазе импульсы управления α_рег поступают на тиристоры 6 полупроводникового плеча вентилей V2 анодной группы, нерегулируемые по фазе импульсы α₀ - на тиристоры 6 плеча вентилей V5 катодной группы и задержанные по фазе импульсы α_0з - на тиристоры 6 полупроводникового плеча вентилей V4 анодной группы. При смене полярности напряжения (u₂<0) импульсы α_рег подаются на тиристоры 6 плеча вентилей V1 катодной группы, импульсы α₀ - на тиристоры 6 плеча V6 анодной группы, а импульс α_0з - на тиристоры 6 полупроводникового плеча вентилей V3 катодной группы выпрямительно-инверторного преобразователя 2.

Под действием импульсов управления α₀, α_0з и α_рег формируется выпрямленное напряжение на двигателе из напряжения секций I и II вторичных обмоток трансформатора 1. После подачи импульсов управления α_рег к напряжению секции I добавляется напряжение секции II вторичной обмотки трансформатора. Вместе с тем, в начале каждого полупериода величина выпрямленного напряжения уменьшается. Уменьшение напряжения происходит за счет вывода из работы одной из секций вторичной обмотки трансформатора 1 при подаче импульсов α₀ и α_0з на тиристоры 6 полупроводникового вентильного плеча 5.

Аналогично производится управление полупроводниковыми вентильными плечами 5 выпрямительно-инверторного преобразователя 2 на третьей и четвертой зонах регулирования.

Под действием выпрямленного напряжения в цепи двигателя 4 протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. Сглаживающий реактор 3 уменьшает уровень пульсаций выпрямленного тока до приемлемой для работы двигателя величины.

Для открытия тиристоров 6 выпрямительно-инверторного преобразователя 2 требуется некоторый уровень напряжения между его анодом и катодом. Поскольку импульсы управления α₀ и α_0з подаются на тиристоры 6 в начале полупериода, открытие тиристоров 6 выпрямительно-инверторного преобразователя 2 импульсами α₀ и α_0з осуществляется с некоторой задержкой относительно начала полупериода сетевого напряжения, при котором достигается необходимый для их открытия уровень напряжения между анодом и катодом. При выполнении полупроводникового плеча вентилей 5 в виде одного тиристора 6 и последовательно включенных с ним (m-1) диодов 7 задержка открытия тиристоров определяется меньшим углом , составляющим (9±2)/m эл.град.

Благодаря уменьшению минимального угла открытия тиристоров переключение тиристоров 6 полупроводниковых плеч вентилей происходит раньше. Это вызывает более раннее изменение направления тока в первичной обмотке трансформатора 1, измеряемое углом φ. Уменьшение фазового угла сдвига φ между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока приводит к увеличению cos φ и, соответственно, к повышению коэффициента мощности преобразователя электровоза к_м.

Кроме того, уменьшение нерегулируемого угла задержки до (9±2)/m уменьшает участки отрицательного напряжения в форме выпрямленного напряжения, при этом среднее значения выпрямленного напряжения повышается и становится достаточно высоким.

Испытания заявляемого преобразователя однофазно-постоянного тока на электровозе ВЛ85 в локомотивном депо Белогорск Забайкальской железной дороги показали, что минимальный угол открытия тиристоров α₀ можно уменьшать до 1-1,5 эл.град. При этом обеспечивается устойчивая работа электровоза на всех зонах регулирования, а коэффициент мощности увеличился в среднем до 0,92.

Преобразователь однофазно-постоянного тока относится к электротехнике и предназначено для электроподвижного состава переменного тока с плавным регулированием напряжения. Технический результат заключается в повышении cos φ и, как следствие, коэффициента мощности к_м преобразователя до 0,92 за счет уменьшения минимального угла открытия тиристоров α₀ при сохранении высокого уровня напряжения на двигателе. Преобразователь однофазно-постоянного тока содержит трансформатор с тремя вторичными обмотками, выпрямительно-инверторный преобразователь с не менее четырьмя полупроводниковыми плечами вентилей, сглаживающий реактор и двигатель. Полупроводниковые плечи вентилей объединены в анодную и катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя. Каждое полупроводниковое плечо вентилей включает и ветвей, а каждая ветвь полупроводникового плеча представляет собой один тиристор и m-1 диод. Первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока, выводы его вторичной обмотки - к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп, сглаживающий реактор и последовательно соединенный с ним двигатель соединены с выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя. 2 ил.

Преобразователь однофазно-постоянного тока, содержащий трансформатор с тремя вторичными обмотками, выпрямительно-инверторный преобразователь с не менее четырьмя полупроводниковыми плечами вентилей, сглаживающий реактор и двигатель, причем одна половина полупроводниковых плеч вентилей соединена анодами и образует анодную группу, другая половина - катодами и образует катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя, первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока, выводы его вторичной обмотки - к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя, сглаживающий реактор и последовательно соединенный с ним двигатель соединены с выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя, при этом каждое полупроводниковое плечо вентилей включает n ветвей, каждая из которых содержит m последовательно включенных вентилей, отличающийся тем, что в выпрямительно-инверторном преобразователе каждая ветвь полупроводникового плеча представляет собой один тиристор и m-1 диод.