СИЛОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА И СПОСОБ ЕГО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H02M7/21 

Область техники, к которому относится изобретение

Изобретение относится к электрическому транспорту, а именно к силовым полупроводниковым выпрямительно-инверторным преобразователям однофазного переменного тока, осуществляющим преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный. Данный силовой полупроводниковый выпрямительно-инверторный преобразователь однофазного переменного тока предназначен для питания тяговых электродвигателей электрического транспорта.

Уровень техники

Известна выпрямительная установка [1], представляющая собой пылебрызгонепроницаемую камеру одностороннего обслуживания, на одной из боковых сторон которой расположены два охладителя, на которых размещены с помощью прижимного устройства через теплоотводящие изоляторы снизу и электрический изолятор сверху, лавинные диоды таблеточного исполнения. Общее количество диодов в выпрямительной установке равно шестнадцати. Плечи выпрямительного моста состоят из одной ветви, в каждой из которых по три последовательно соединенных вентиля. В расщеплении основных двух плеч, имеются два дополнительных плеча, состоящие также из одной ветви, в каждой из которых по два последовательно соединенных вентиля.

Недостатками выпрямительной установки являются:

- отсутствие плавного регулирования питающего напряжения тяговых электродвигателей, ввиду использования в выпрямительной установке неуправляемых силовых полупроводниковых приборов - диодов. Регулировка напряжения, подаваемого на тяговые электродвигатели обеспечивается ступенчато, с помощью контроллера силового пневматического, подключаемого к восьми выводам вторичной обмотки тягового трансформатора;

- отсутствие ресурсосберегающего режима - рекуперативного торможения.

Известен выпрямительно-инверторный преобразователь [2], который представляет собой пылебрызгонепроницаемая камеру с односторонним обслуживанием. В камере размещены восемь плеч с полупроводниковыми приборами - тиристорами, образующие четырехзонное регулирование напряжения тяговых элетродвигателей. Первое, второе, третье, четвертое, седьмое и восьмое плечо содержит по шесть тиристоров соединенных между собой в две параллельные ветви по три вентиля, а пятое и шестое также содержит по четыре тиристора, соединенные в две параллельные ветви по два вентиля. Общее количество силовых тиристоров в установке сорок четыре. Полупроводниковые приборы располагаются на четырех алюминиевых охладителях, через ребра которых направляется поток набегающего воздуха. Фиксация силовых тиристоров осуществляется с помощью прижимных устройств через теплоотводящие изотяторы снизу и электрические изоляторы сверху. Охладители образуют дно преобразователя. Охлаждение выпрямительно-инверторного преобразователя естественное воздушное.

Недостатками выпрямительно-инверторного преобразователя являются:

- низкий коэффициент мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения который составляет 0,84 и 0,6 соответственно, ввиду использования тиристорной базы. Низкая величина коэффициента мощности говорит о высоком потреблении электроэнергии на тягу электропоезда;

- работа плеч преобразователя вызывает высокочастотное искажение форм тока и напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора, при этом снижая надежность и ресурс работы электронного и электрического оборудования электропоезда;

- работа преобразователя вызывает загрузку тяговой сети реактивной энергией, что снижает пропускную способность тягового участка в целом;

- для управления преобразователем необходимо дополнительное оборудование, такое как: датчики угла коммутации, потенциальных условий и синхронизации с контактной сетью.

- расположение охладителей, образующих дно силового шкафа, не обеспечивает оптимального охлаждающего эффекта силовых полупроводников - тиристоров.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является зонно-фазовый выпрямительно-инверторный преобразователь [3], который содержит несколько зон на основе параллельных ключевых мостов, образующих схему двухполупериодного мостового преобразователя. Зонно-фазовое управление выпрямительно-инверторного преобразователя обеспечивается с применением в качестве силовой базы IGBT-транзисторов. Недостатком данного преобразователя является способ его управления, заключающийся в отключении IGBT-транзисторов драйверами в моменты времени, когда ωt равно от 140 до 150 эл. град., при этом величина коммутируемого напряжения является достаточно значительной, что вызывает большие послекоммутационные перенапряжения в цепи выпрямленного тока, которые необходимо гасить при помощи снабберных цепей большей мощности.

Раскрытие сущности изобретения

Задачами изобретения является повышение энергетических показателей электрического транспорта однофазного переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения, повышение эксплуатационной надежности и диагностирование технического состояния всего силового и электронного оборудования электрического транспорта, снижение загрузки тяговой сети реактивной энергией, обеспечение удобства обслуживания и ремонта преобразователя, снижение материалоемкости и трудоемкости его изготовления, а также улучшение отвода тепла от силовых полупроводниковых приборов преобразователя, за счет создания оригинальной конструкции преобразователя и способа его управления.

Это достигается за счет того, что преобразователь в отличии от известных аналогов (прототипов) позволяет осуществлять полное управление питающим напряжением тяговых электродвигателей, за счет использования современных полупроводниковых приборов IGBT-транзисторов или других полностью управляемых электронных ключей, расположенных на боковых охладителях, образующие восемь силовых плеч полностью управляемого двухполупериодного преобразователя однофазного переменного тока с дополнительно включенным девятым разрядным плечом, управление которыми в режимах тяги и рекуперативного торможения осуществляется за счет разработанного способа управления, позволяющего осуществить симметрию переменного тока относительно напряжения сети, при этом достигая максимального коэффициента мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения и снижая послекоммутационные выбросы напряжения в цепи выпрямленного тока.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана силовая схема предлагаемого выпрямительно-инверторного преобразователя, который входит в состав тягового привода электрического транспорта однофазного переменного тока.

На фиг. 2 и фиг. 3 показаны диаграммы электромагнитных процессов при работе предлагаемого выпрямительно-инверторного преобразователя в режимах тяги и рекуперативного торможения соответственно, согласно разработанного способа его управления.

Осуществление изобретения

Предлагаемый выпрямительно-инверторный преобразователь фиг. 1 включает в конструкцию силовые полупроводниковые приборы IGBT-транзисторы 3 и диоды 4, соединенные между собой последовательно, драйверы IGBT-транзисторов 5, обратные диоды 11 и снабберные цепи 6, параллельно подключенные силовым полупроводниковым приборам. В совокупности, вышеперечисленные элементы образуют восемь силовых плеч 2 полностью управляемого двухполупериодного преобразователя однофазного переменного тока с дополнительным девятым разрядным плечом 2 необходимым для поддержания тока в тяговых электродвигателях на период отключения от тягового трансформатора 8 преобразователя 1. Получение управляющих сигналов силовыми плечами, осуществляется от системы управления 10. Предлагаемый преобразователь обеспечивает четырехзонное регулирование напряжения подаваемого на тяговые электродвигатели 7. Общее количество силовых полупроводниковых приборов равно двадцати семи.

Полупроводниковые приборы могут использоваться как модульного так таблеточного исполнения, с интегрированным обратным диодом либо с внешним. Фиксация силовых полупроводниковых приборов осуществляется в зависимости от исполнения прибора. Для таблеточной конструкции фиксация осуществляется прижимным устройством через теплоотводящий изолятор снизу и электроизолятором сверху посредством траверсы, а для модульной конструкции фиксация производится на заранее обработанной поверхности теплоотводящим компаундом, винтами высокой твердости с обязательной установкой плоских и пружинных шайб. Для эффективного охлаждения силовых плеч набегающим и боковым потоком воздуха, алюминиевые профилированные охладители расположены на боковых рамах силового шкафа через уплотнительные прокладки, а ребра охладителей расположены вдоль линии преобразователя. Боковые рамы имеют функцию откидывания с углом поворота 90° для удобства обслуживания и ремонта элементов преобразователя, а фиксация осуществляются регулируемыми быстродействующими затворами, исключающими самопроизвольное отпирание. В случаях отпирания боковых рам, в конструкции преобразователя предусмотрено устройство, сигнализирующее отпирание силового шкафа.

Выпрямительно-инверторный преобразователь 1 получает питание через силовые кабели от выводов тяговых обмоток трансформатора 8, параллельно секциям которым подключены снабберные цепи 6. В свою очередь, тяговый трансформатор подключен к контактной сети через пантограф 9. После преобразования однофазного переменного тока в постоянный, выпрямительно-инверторный преобразователь осуществляет питание тяговых электродвигателей 7 с помощью силовых кабелей, проходящих через патрубок на одной из торцевых стенок, а на другой торцевой стенке установлен дополнительный пылебрызгонепроницаемый съемный отсек, включающий в себя блоки питания и управления выпрямительно-инверторным преобразователем, который устанавливается в подкузовном пространстве электрического транспорта на кронштейнах, расположенных на верхней крышке преобразователя.

На фиг. 2 и 3 показана работа предлагаемого выпрямительно-инверторного преобразователя, на примере первой и четвертой зоны регулирования напряжения, где U₁ и i₁ - напряжение и ток в первичной обмотке тягового трансформатора, U_d и i_d - напряжение и ток на тяговом электродвигателе. Питание тяговых электродвигателей осуществляется путем выпрямления однофазного переменного тока в постоянный, силовыми плечами выпрямительно-инверторного преобразователя.

Способ управления силовым выпрямительно-инверторным преобразователем, в режимах тяги и рекуперативного торможения заключается в том, что включение IGBT-транзисторов осуществляется драйверами с некоторым углом t_on от перехода переменного напряжения сети через 0, а закрытие зависит от величины тока нагрузки электрического транспорта и является переменным значением , которое производится из расчета, что выключение транзисторов всегда осуществляется на минимальных мгновенных значениях напряжения сети ΔU₁ с учетом длительности коммутации тока, обеспечивая угол ϕ≈0 и симметрию переменного тока относительно напряжения сети, при этом достигая максимального коэффициента мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения, тем самым уменьшая расход электроэнергии на тягу электрического транспорта, а также послекоммутационные выбросы напряжения в цепи выпрямленного тока, что позволит использовать снабберные цепи низкой мощности, которые имеют меньшие габариты.

Источники информации:

1. Гут В.А. Преобразовательные устройства электропоездов переменного тока: Учебное пособие для учащихся образовательных учреждений ж.-д. транспорта, осуществляющих профессиональную подготовку. - М.: Маршрут, 2006. - 54 с.

2. Патент 121668 Российская Федерация. Силовой выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства [текст] / Морев А И., Костенко М.А., Демидова Л.В., заявитель и патентообладатель ОАО «Электровыпрямитель». - №2012111852/07; заявл. 27.03.2012; опубл. 27.10.2012, Бюл. №30. - 6 с.: ил.

3. Патент 2577006 Российская Федерация. Способ повышения энергетических показателей электровозов переменного тока с ВИП на IGBT-транзисторах (модулях) по критерию потребления максимально активной мощности [текст] / Мельниченко О.В., Яговкин Д.А., Портной А.Ю., Шрамко С.Г., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». - №2014104274/07; заявл. 06.02.2014; опубл. 20.07.2015, Бюл. №20. - 3 с.: ил.

Изобретение относится к электрическому транспорту, а именно к силовым полупроводниковым выпрямительно-инверторным преобразователям однофазного переменного тока, осуществляющим преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный. Данный силовой полупроводниковый выпрямительно-инверторный преобразователь однофазного переменного тока предназначен для питания тяговых электродвигателей электрического транспорта. Технический результат достигается тем, что в выпрямительно-инверторном преобразователе используются силовые полупроводниковые приборы IGBT-транзисторы или другие полностью управляемые электронные ключи и диоды, соединенные между собой последовательно, образуя восемь силовых плеч полностью управляемого двухполупериодного преобразователя однофазного переменного тока с дополнительным девятым разрядным плечом, необходимым для поддержания тока в тяговых электродвигателях на период отключения преобразователя от тягового трансформатора. Предлагаемый преобразователь обеспечивает четырехзонное регулирование напряжения, подаваемое на тяговые электродвигатели. Управление силовым выпрямительно-инверторным преобразователем осуществляется в режимах тяги и рекуперативного торможения и заключается в том, что включение IGBT-транзисторов осуществляется драйверами с некоторым углом от перехода переменного напряжения сети через ноль, а закрытие зависит от величины тока нагрузки электрического транспорта и является переменным значением по времени, которое производится из расчета, что выключение транзисторов всегда осуществляется на минимальных мгновенных значениях напряжения сети ΔU₁ с учетом длительности коммутации тока, обеспечивая угол сдвига фаз между током и напряжением сети равным нулю, а также симметрию переменного тока относительно напряжения сети, при этом достигая максимального коэффициента мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения, тем самым уменьшая расход электроэнергии на тягу электрического транспорта и послекоммутационные выбросы напряжения в цепи выпрямленного тока, что позволит использовать снабберные цепи меньшей мощности. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Силовой выпрямительно-инверторный преобразователь для электрического транспорта, в состав которого входят корпус, охладители, соединительные кабели, шины переменного и постоянного тока, термодатчики, пылебрызгонепроницаемый отсек, расположенный с торцевой стороны силового шкафа, необходимый для размещения блоков питания и управления преобразователем, патрубок, через который осуществляется подключение преобразователя к тяговому приводу электрического транспорта с помощью соединительных кабелей, отличается тем, что в качестве базы преобразователя используются силовые полупроводниковые приборы IGBT-транзисторы или другие полностью управляемые электронные ключи и диоды, расположенные на охладителях, которые установлены через уплотнительные материалы на боковых рамах, имеющие функцию откидывания с углом поворота 90 градусов, при этом количество силовых полупроводниковых приборов, размещаемых на охладителях, может изменяться от одного до n при последовательном включении и от одного до р при параллельном включении в зависимости от мощности силовых полупроводниковых приборов, которые могут быть модульной или таблеточной конструкции, образующие девять плеч полностью управляемого преобразователя однофазного переменного тока, в состав которых также входят драйверы управления IGBT-транзисторами, располагающиеся непосредственно на IGBT-транзисторе, или рядом на охладителе через изоляционные шпильки, а также снабберные цепи, которые подключаются параллельно полупроводниковым приборам силового плеча, расположение которых может быть непосредственно на IGBT-транзисторе, либо на дополнительном креплении внутри силового шкафа, а также параллельно вторичным обмотокам тягового трансформатора, количество которых может быть от 2 до S, при этом вторичные обмотки тягового трансформатора осуществляют питание преобразователя, который в свою очередь регулирует питающее напряжение тяговых электродвигателей, количество которых может изменяться от одного до m при последовательном включении и от одного до k при параллельном включении.

2. Способ управления силовым выпрямительно-инверторным преобразователем по п. 1., в режимах тяги и рекуперативного торможения отличается тем, что включение IGBT-транзисторов осуществляется драйверами с некоторым углом от перехода переменного напряжения сети через ноль, а закрытие зависит от величины тока нагрузки транспортного средства, являясь переменным значением по времени, и производится из расчета, что их выключение всегда осуществляется на минимальных мгновенных значениях напряжения сети с учетом длительности коммутации тока, обеспечивая угол сдвига фаз между током и напряжением сети равным нулю, а также симметрию переменного тока относительно напряжения сети, при этом достигая максимального коэффициента мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения, тем самым уменьшая расход электроэнергии на тягу электрического транспорта, при этом снижая послекоммутационные выбросы напряжения в цепи выпрямленного тока, что позволит использовать снабберные цепи меньшей мощности.