СПОСОБ РАЗНОФАЗНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2020 года по МПК H02M5/297 

Область техники, к которой относится изобретение

Способ предназначен для использования на электроподвижном составе и относится к алгоритму управления исполнительными устройствами -выпрямительно-инверторными преобразователями напряжения (ВИП).

Уровень техники

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 электровоза в пределах периода питающего напряжения [1,4].

Согласно штатному алгоритму 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) [4, с. 115].

Известен способ разнофазного управления (РФУ), предложенный сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), заключающийся в разнесении во времени начал, а также окончаний коммутации различных групп преобразователей (на 8-9 электрических градусов по углам α₀ и α_p). В теории это должно было позволить снизить вынужденный скачок напряжения при включении и выключении каждой группы преобразователей и амплитуду свободных колебаний напряжения на токоприемнике [3].

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, связанное, в том числе с тем, что в преобразователе без диодного разрядного плеча существует сильное снижение коэффициента мощности при увеличении угла α₀;

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

Известен способ управления тиристорными преобразователями электровоза [2], с применением разрядного диодного плеча, позволяющий снизить электромагнитные колебания напряжения в зоне естественной коммутации (основой коммутации). 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 на каждой зоне свободные колебания остались без изменения и могли в амплитуде достигать напряжения питающей сети.

Наиболее близким техническим решением стал способ снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза [5], с применением разрядного диодного плеча, заключающийся в разнесении во времени начал, а также окончаний коммутации различных групп преобразователей с переменным углом задержки, равным полупериоду собственных колебаний напряжения тяговой сети обеспечивающий повышение качества электроэнергии в сети. Недостатком указанного способа является то, что разнофазное управление преобразователями реализуется только по углу α_р, все преобразователи электровоза делятся только на две группы, что не обеспечивает значительного снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза. К тому же реализация способа увеличивает пульсацию тока двигателя, возникающую в разных полупериодах напряжения сети.

Современные электровозы переменного тока обычно имеют несколько ВИП, которые могут быть оборудованы диодным разрядным плечом и в случае доработки системы управления могут управляться независимо.

Технический результат способа разнофазного управления выпрямительно-инверторными преобразователями электровоза переменного тока заключается в том, что реализуется разнесение во времени начал коммутаций тиристоров плеч разных ВИП электровоза, в силовую схему которых встроены диодные разрядные плечи, с обеспечением разной величины и направления сдвига углов открытия тиристоров α₀ и α_р. В результате помимо повышения коэффициента мощности электровоза и снижения коэффициента искажения синусоидальности питающей сети, дополнительно обеспечивается снижение пульсации и выравнивание токов тяговых электродвигателей электровоза.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагается способ разнофазного управления набором из двух и более ВИП электровоза переменного тока, выполненных на основе параллельных тиристорных мостов с диодными разрядными плечами, управляемых индивидуально блоком управления, направленный на снижение пульсации тока и выравнивание среднего напряжения на электродвигателях электровоза. Предлагаемый способ представлен в виде алгоритма разнофазного управления преобразователями, который осуществляется путем разнесения во времени начал коммутаций тиристоров плеч разных преобразователей одновременно по углам α₀ и α_р с разной величиной и направлением сдвига данных углов.

Если электровоз имеет N число преобразователей, то минимальный угол открытия тиристоров плеч во II-IV зонах регулирования, подключенных к вторичной обмотке трансформатора с низким напряжением, для каждого преобразователя, в зависимости от его порядкового номера n, формируется блоком управления по формуле

где α₀ - минимальный угол открытия тиристоров преобразователя номер 1; Т_{0 max} - максимальное время разнофазного управления ВИП по углу α₀.

Регулируемые по фазе углы открытия тиристоров плеч , подключенных к вторичной обмотке трансформатора с более высоким напряжением, для каждого преобразователя в зависимости от его порядкового номера, формируются по формуле

где α_р - регулируемый по фазе угол открытия тиристоров преобразователя номер 1; Т_{р max} - максимальное время разнофазного управления ВИП по углу α_p.

Максимальное время разнофазного управления T_0max и T_pmax принимается в зависимости от обеспечения максимального снижения коэффициента искажения синусоидальности напряжения питающей сети и выравнивания характеристик колесно-моторных блоков электровоза.

Предлагаемый способ управления ВИП с использованием диодного разрядного плеча обеспечивает повышение коэффициента мощности и уменьшение коэффициента искажения синусоидальности напряжения питающей сети. Разное направление сдвига углов α₀ и α_р в данном случае позволяет выровнять среднее напряжение на электродвигателях электровоза, изменяющиеся при равнофазном управлении ВИП (фиг.), а также уменьшить пульсацию выпрямленного тока.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена диаграмма выпрямленного напряжения преобразователей и принцип формирования угла сдвига фаз при разнофазном управлении.

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ разнофазного управления ВИПами электровоза переменного тока с диодными разрядными плечами может быть осуществлен программно-аппаратными методами существующих систем управления электровозами с поосным и потележечным регулированием напряжения, а также включением в них блоков расчета углов и .

Источники информации

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: МПК Н02М 5/42 / №2006140957/09; 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.

4. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, Л.А. Позднякова и др. - Москва: Транспорт, 1995. - 480 с.

5. Способ снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза и устройство для его осуществления. Пат. №2435288, Рос. Федерация: МПК Н02М 7/155, Н02М 7/162, Н02М 7/12, B60L 9/12/ №2009109459/07; заявл. 16.03.2009; опубл. 27.11.2011.

Изобретение относится к области электротехники. Предлагается способ управления выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) электровоза переменного тока с диодными разрядными плечами, путём разнофазного управления преобразователями по углам α₀ и α_р с разнесением во времени начал коммутаций тиристоров плеч разных преобразователей, при котором для начального открытия плеч, подключенных к вторичной обмотке трансформатора с низким напряжением, углы открытия формируются в соответствии с математическим выражением где α₀ - минимальный угол открытия тиристоров преобразователя номер 1; n - номер преобразователя; N - число преобразователей в электровозе; Т_0mах - максимальное время разнофазного управления ВИП по углу α₀. Регулируемые по фазе углы открытия тиристоров плеч преобразователей, подключенных к вторичной обмотке трансформатора с более высоким напряжением, формируются в соответствии с математическим выражением где α_р - регулируемый по фазе угол открытия тиристоров преобразователя номер 1; Т_рmах - максимальное время разнофазного управления ВИП по углу α_р. Предлагаемый способ управления ВИПами электровоза с использованием диодного разрядного плеча обеспечивает повышение коэффициента мощности и уменьшение коэффициента искажения синусоидальности напряжения питающей сети. Разное направление сдвига углов α₀ и α_р в данном случае позволяет выровнять среднее напряжение на электродвигателях электровоза, изменяющиеся при равнофазном управлении ВИП, а также уменьшить пульсацию выпрямленного тока. 1 ил.

1. Способ управления набором из двух и более выпрямительно-инверторных преобразователей электровоза переменного тока, выполненных на основе параллельных тиристорных мостов с диодными разрядными плечами, управляемых индивидуально блоком управления, представляющий собой алгоритм разнофазного управления преобразователями по углам α₀ и α_р с разнесением во времени начал коммутаций тиристоров плеч разных преобразователей, отличающийся тем, что углы открытия тиристоров плеч для каждого преобразователя блок управления формирует по формулам:

для минимального угла открытия тиристоров плеч преобразователя, подключенных к вторичной обмотке трансформатора с низким напряжением

где α₀ - минимальный угол открытия тиристоров преобразователя номер 1; n - номер преобразователя; N - число преобразователей в электровозе; Т_0mах - максимальное время разнофазного управления ВИП по углу α₀;

для регулируемого по фазе угла открытия тиристоров плеч преобразователя, подключенных к вторичной обмотке трансформатора с более высоким напряжением

где α_р - регулируемый по фазе угол открытия тиристоров преобразователя номер 1; Т_рmах - максимальное время разнофазного управления ВИП по углу α_p.