СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОСЛЕКОММУТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТОКОПРИЕМНИКЕ ЭЛЕКТРОВОЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H02M7/155 H02M7/162 H02M7/12 B60L9/12 

Способ предназначен для использования на электроподвижном составе и относится, к алгоритму управления исполнительным устройством - выпрямительно-инверторным преобразователем напряжения.

Применение тиристорных выпрямителей в статических преобразователях электровозов однофазно-постоянного тока (иная формулировка однофазного синусоидального тока промышленной частоты 50 Гц) в России и за рубежом дало возможность производить управление коллекторными тяговыми двигателями путем плавной регулировки напряжения на них. Это осуществляется изменением моментов отпирания соответствующих плеч выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) электровоза в пределах периода питающего напряжения (фиг.1).

Однако эксплуатация таких электровозов, наряду с достоинствами силовых схем тиристорных преобразователей, выявила и ряд их недостатков по сравнению с электровозами, оборудованными неуправляемыми полупроводниковыми диодами. Вопросы надежности работы технических средств электровозов всегда были актуальными, и им уделялось большое внимание в научных исследованиях [1].

Согласно штатному алгоритму (фиг.2) работы системы управления электровозов с плавным регулированием напряжения (ВЛ80Р, ВЛ85 и другие электровозы с тиристорными преобразователями) коммутация тока всех ВИП обеих секций происходит одновременно. 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 снижения напряжения не происходит, так как вследствие наличия в тяговой сети распределенных индуктивностей и емкости возникают свободные колебания напряжения (первый закон коммутации). Электромагнитные колебания, возникающие в результате этого, разделяются на два типа: естественная коммутация (1) и коммутация при фазовом регулировании напряжения на тяговом электрическом двигателе (2) (фиг.3).

Известен способ управления тиристорными преобразователями электровоза (фиг.4) [2] с применением разрядного диодного плеча, позволяющий снизить электромагнитные колебания напряжения в зоне естественной коммутации (основной коммутации) (1 на фиг.3). Но при использовании данного алгоритма задачу улучшения качества напряжения в контактной сети удалось решить только при протекании основной коммутации тока тиристоров плеч ВИП, а при фазовом регулировании (2 на фиг.3) на каждой зоне свободные колебания остались без изменения и могли в амплитуде достигать напряжения питающей сети.

Наиболее близким техническим решением стал способ разнофазного управления (РФУ), предложенный сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) [3], заключающийся в разнесении во времени начал, а также окончаний коммутации различных групп преобразователей (на 8-9 электрических градусов по углам α₀ и α_p) (фиг.5). В теории это должно было позволить снизить вынужденный скачок напряжения при включении и выключении каждой группы преобразователей и амплитуду свободных колебаний напряжения на токоприемнике. Однако на практике способ, предложенный ВНИИЖТом не получил распространения ввиду наличия существенных недостатков.

Основные недостатки существующего способа РФУ:

- разнофазность управления достигается постоянным увеличением угла открытия тиристоров преобразователя на 8-9 электрических градусов (как по углам α₀, так и по α_р), а это в свою очередь значительно снижает внешние характеристики преобразователя (ВИП);

- снижение коэффициента мощности электровоза при реализации предлагаемого алгоритма;

- мощность электровоза в часовом и продолжительном режиме несколько ниже, чем при типовом способе управления, происходит и некоторое снижение скорости;

- постоянство сдвига угла открытия тиристоров преобразователя на 8-9 электрических градусов не дает полного эффекта снижения высокочастотных колебаний напряжения контактной сети из-за изменения индуктивности и емкости тяговой сети (в зависимости от удаления от тяговой подстанции).

Предлагается способ РФУ с использование разрядного диодного плеча [3], позволяющего отказаться от использования в алгоритме управления α_зад для α₀, и с использованием адаптивной системы (фиг.6). Предлагается производить задержку управления плечами преобразователя, равной полупериоду собственных колебаний напряжения тяговой сети. Собственные колебания в контактной сети планируется выявлять через спектральный анализ. Спектральный анализ напряжения контактной сети предполагается производить на базе микроконтроллеров, используя быстрое преобразование Фурье (БПФ). Напряжение контактной сети через датчик напряжения (3) поступает на вход блока согласования датчика напряжения (4) с микроконтроллером (5). Микроконтроллер (5) по заданному алгоритму осуществляет спектральный анализ гармонических колебаний питающей сети, выделяет гармонику с наибольшей амплитудой и производит расчет изменения угла запаздывания включения плеч ВИП импульсами с фазой α_р. По сигналам блока управления ВИП (БУВИП) (гальваническая развязка и выходные ключи) (6) происходит чередование и распределение импульсов управления по ВИПам и их плечам. Датчик напряжения (3), блок согласования датчика напряжения (4), микроконтроллер (5), блоки гальванической развязки и выходных ключей (6) запитываются от источника питания (7).

Созданная адаптивная система разнофазного управления ВИП электровоза позволяет независимо от места расположения электровоза на фидерной зоне (изменения параметров контактной сети) максимально уменьшать амплитуды искажающих напряжение гармоник, соответствующих частотам этих колебаний, что ведет к снижению коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и, в целом, к повышению качества электрической энергии в контактной сети.

Для того чтобы внешняя характеристика преобразователя снижалась незначительно, необходимо так же как и в способе-прототипе [3], чередовать отклонения регулируемого угла для каждой секции в разные полупериоды (фиг.7).

Работа предлагаемого алгоритма (фиг.8) заключается в следующем:

- на 1-й зоне регулирования:

На первой секции в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо V3 и V6 (VS3, VS6 на фиг.1) подается импульс управления α_p, a на соответствующее плечо второй секции подается импульс α_р+α_зад~ (знак «~» означает, что значение угла α_зад является переменным, т.е. рассчитывается адаптивной системой, в зависимости от положения электровоза на фидерной зоне). На α₀ задержанный импульс не подается, т.к. отрицательный участок напряжения (1 на фиг.3) замыкается на разрядное диодное плечо [3]. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первой секции на тиристорное плечо V4, V5 подается импульс управления α_р+α_зад~, в то же время на второй секции на эти же плечи подается импульс α_p.

- на 2-й зоне регулирования:

На первой секции в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо V1 (VS1 на фиг.1) подается импульс управления α_p, а на соответствующее плечо второй секции подается импульс α_р+α_зад~ (знак «~» означает, что значение угла α_зад является переменным, т.е. рассчитывается адаптивной системой, в зависимости от положения электровоза на фидерной зоне). На α₀ задержанный импульс не подается, т.к. отрицательный участок напряжения (1 на фиг.3) замыкается на разрядное диодное плечо [3]. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первой секции на тиристорное плечо V2 подается импульс управления α_р+α_зад~, в то же время на второй секции на это же плечо подается импульс α_p.

- на 3-й зоне регулирования:

На первой секции в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо V3 (VS3 на фиг.1) подается импульс управления α_р, а на соответствующее плечо второй секции подается импульс α_р+α_зад~ (знак «~» означает, что значение угла α_зад является переменным, т.е. рассчитывается адаптивной системой, в зависимости от положения электровоза на фидерной зоне). На α₀ задержанный импульс не подается, т.к. отрицательный участок напряжения (1 на фиг.3) замыкается на разрядное диодное плечо [3]. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первой секции на тиристорное плечо V4 подается импульс управления α_р+α_зад~, в то же время на второй секции на это же плечо подается импульс α_р.

- на 4-й зоне регулирования:

На первой секции в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо V1 (VS1 на фиг.1) подается импульс управления α_р, а на соответствующее плечо второй секции подается импульс α_р+α_зад~ (знак «~» означает, что значение угла α_зад является переменным, т.е. рассчитывается адаптивной системой, в зависимости от положения электровоза на фидерной зоне). На α₀ задержанный импульс не подается, т.к. отрицательный участок напряжения (1 на фиг.3) замыкается на разрядное диодное плечо [3]. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первой секции на тиристорное плечо V2 подается импульс управления α_р+α_зад~, в то же время на второй секции на это же плечо подается импульс α_p.

Предлагаемый способ реализации РФУ позволит исключить вышерассмотренные недостатки.

Технический результат при реализации предлагаемого способа снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза:

- повышается качество напряжения в контактной сети;

- продлится срок службы изоляции электрических машин и аппаратов;

- повысится надежность работы устройств сигнализации, централизации, блокировки (СЦБ), автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН), системы управления преобразователями электровоза, релейной защиты, автоматики, связи и вычислительной техники.

Список литературы

1. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - 311 с.

2. Способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока. Пат. №2322749, Рос. Федерация: №2006140957/09, МПК Н02М 5/42/; заявл. 20.11.06; опубл. 20.04.2008.

3. Кучумов В.А., Находкин В.В., Широченко Н.Н. Технико-экономические показатели тиристорных электровозов переменного тока с разнофазным управлением. // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 1987. №3. С.15-18.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано на электроподвижном составе. Техническим результатом является повышение качества электроэнергии; увеличение срока службы изоляции электрических машин и аппаратов; повышение надежности работы устройств сигнализации, централизации, блокировки, автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия, системы управления преобразователями электровоза, релейной защиты, автоматики, связи и вычислительной техники. В способе и устройстве снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза производят задержку управления плечами преобразователя, равную полупериоду собственных колебаний напряжения тяговой сети. Собственные колебания в контактной сети выявляют через спектральный анализ. Спектральный анализ напряжения контактной сети производят на базе микроконтроллеров, используя быстрое преобразование Фурье. Напряжение контактной сети через датчик напряжения поступает на вход блока согласования датчика напряжения с микроконтроллера. Микроконтроллер по заданному алгоритму осуществляет спектральный анализ гармонических колебаний питающей сети, выделяет гармонику с наибольшей амплитудой и производит расчет изменения угла запаздывания включения плеч выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) импульсами с фазой α_р. По сигналам блока управления ВИП происходит чередование и распределение импульсов управления по ВИП-ам и их плечам. Созданная адаптивная система разнофазного управления ВИП электровоза позволяет независимо от места расположения электровоза на фидерной зоне (изменения параметров контактной сети) максимально уменьшать амплитуды искажающих напряжение гармоник, соответствующих частотам этих колебаний, что ведет к снижению коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и, в целом, к повышению качества электрической энергии в контактной сети. Для того чтобы внешняя характеристика преобразователя снижалась незначительно, необходимо так же, как и в типовом способе, чередовать отклонения регулируемого угла для каждой секции в разные полупериоды. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза, представляющий собой алгоритм разнофазного управления выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза по углу α₀ и α_р с постоянным разнесением во времени начал, а также окончаний коммутации различных групп преобразователей (угол задержки - α_зад) на 8-9 электрических градусов и чередованием задержки по секциям электровоза в различные полупериоды напряжения, отличающийся тем, что используется адаптивное разнофазное управление плечами преобразователя с переменным углом задержки (α_зад~), равным полупериоду собственных колебаний напряжения тяговой сети, выявлять длительность которых предлагается, используя адаптивную систему управления, с совместным использованием алгоритма управления плечами преобразователя с применением диодного разрядного плеча.

2. Устройство снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза для осуществления заявленного способа, отличающийся тем, что адаптивная система управления изменения угла регулирования α_p изготовлена на базе контроллеров или микропроцессоров, в которых напряжение контактной сети через датчик поступает на вход блока согласования датчика напряжения с контроллером или микропроцессором, который по заданному алгоритму осуществляет спектральный анализ гармонических колебаний питающей сети, выделяет гармонику с наибольшей амплитудой и производит расчет изменения фазы угла регулирования, подаваемого на плечи выпрямительно-инверторного преобразователя.