СИЛОВАЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ВОЗБУЖДЕНИЯ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА И СПОСОБ ЕЁ УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК H02P3/14 B60L9/08 

Область техники, к которому относится изобретение

Изобретение относится к электрическому транспорту, а именно к силовым полупроводниковым выпрямительным установкам возбуждения однофазного переменного тока, осуществляющая преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный. Данная силовая полупроводниковая выпрямительная установка возбуждения (ВУВ) однофазного переменного тока предназначена для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей (ТЭД) электрического транспорта в режиме рекуперативного торможения.

Уровень техники

Известна выпрямительная установка возбуждения [1], расположенная в одном из силовых подвагонных шкафов электропоезда однофазного переменного тока серии ЭД9Э, представляющая собой двухполупериодный мостовой выпрямитель, располагающийся на текстолитовой плите и состоящий из четырех силовых тиристоров штыревого исполнения, управление которыми осуществляется с помощью управляющих импульсов, вырабатываемых микропроцессорной системой управления и подаваемые через усилители, где они через импульсные трансформаторы подаются на управляющие электроды тиристоров. Отвод тепла от силовых тиристоров осуществляется с помощью алюминиевых охладителей, а защита ВУВ выполнена в виде RC-цепей, которые параллельно подключены каждому силовому тиристору выпрямительного моста.

Недостатками выпрямительной установки возбуждения являются: - при работе тиристорных плеч ВУВ, возникает значительный угол сдвига фаз (ϕ) между током и напряжением в первичной цепи тягового трансформатора, что говорит о низком коэфффициенте мощности, который составляет 0,5, свидетельствующий о высоком потреблении реактивной мощности преобразователем;

- значительная длительность нерегулируемого угла открытия угла α₀ порядка 9±2 эл. град.;

- сложная система управления ВУВ из-за применения большого количества дополнительных и специальных устройств, таких как датчики потенциальных условий, датчики синхронизации, датчики коммутации, логические элементы, преобразователи, усилители и их связи между собой и другими устройствами системы.

Известна выпрямительная установка возбуждения [2], расположенная в двух высоковольтных камерах кузовов электровоза, представляющая собой двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом, состоящий из двух текстолитовых плит, на каждой из которой расположены шины постоянного и переменного тока, импульсные трансформаторы, дроссели, снабберные цепи и одно тиристорное плечо, состоящее из двух параллельных ветвей по шесть вентилей в каждой. При этом тиристоры используются штыревого исполнения с охладителями, которые обдуваются принудительным потоком воздуха от моторвентилятора.

Недостатками выпрямительной установки возбуждения являются:

- низкий коэффициент мощности, не превышающий 0,5 ввиду использования устаревшей полууправляемой тиристорной базы;

- задержка в каждом полупериоде отпирания тиристоров обеспечивает отставание первой гармоники тока в обмотке возбуждения трансформатора относительно напряжения на угол ϕ, что говорит о значительном потреблении преобразователем реактивной мощности индуктивного характера;

- при работе выпрямительной установки возбуждения возникает протекание тока во вторичной обмотке трансформатора против направления электродвижущей силы (ЭДС) трансформатора, что значительно влияет на величину пульсации тока возбуждения.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является выпрямительная установка возбуждения [3] представляющая собой двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом, состоящий из параллельно включенных между собой полностью управляемых плечей, каждое из которых состоит из двух или более электронных ключей (IGBT-транзисторов). Для поддержания непрерывности протекания тока возбуждения в конструкции преобразователя предусмотрен обратный диод, подключенный параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей. Недостатком данной выпрямительной установки возбуждения является то, что при данном схемотехническом решении преобразователя требуется два управляемых плеча, что усложняет конструкцию и снижает надежность преобразователя.

Раскрытие сущности изобретения

Задачами изобретения является повышение коэффициента мощности электрического транспорта однофазного переменного тока в режиме рекуперативного торможения, повышение и его эксплуатационной надежности, а также снижение загрузки тяговой сети реактивной энергией.

Это достигается за счет того, что выпрямительная установка возбуждения в отличии от известных аналогов (прототипов) позволяет осуществлять полное управление питающим напряжением в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей в режиме рекуперативного торможения, за счет использования современных полупроводниковых приборов IGBT-транзисторов или других полностью управляемых электронных ключей, образующих полностью управляемое силовое плечо, которое подключается параллельно диодному двухполупериодному мостовому выпрямителю или последовательно двум выпрямительным диодным плечам, при этом управление силового плеча осуществляется с помощью способа управления, заключающийся во включении и выключении IGBT-транзисторов путем подачи управляющего сигнала, который регулируется от середины полупериода к нулю и π, при этом скорость изменения ширины импульса в сторону нуля и π может быть одинаковой или разной, а его ширина выбирается исходя из необходимого тока возбуждения в тяговых электродвигателях.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана силовая схема выпрямительной установки возбуждения, выполненная на базе двухполупериодного мостового преобразователя.

На фиг. 2 показана силовая схема выпрямительной установки возбуждения, выполненная на базе двухполупериодного преобразователя с нулевым выводом.

На фиг. 3 показана диаграммы электромагнитных процессов и управления при работе предлагаемой выпрямительной установки возбуждения в режиме рекуперативного торможения, согласно способу его управления.

Осуществление изобретения

Предлагаемая выпрямительная установка возбуждения 1, фиг. 1, фиг. 2 состоит из изоляционной плиты, на которой размещены охладители с полностью управляемыми электронными ключами 2, драйверы их управления 3, получающие управляющие импульсы от системы управления 4, обратный диод 5, необходимый для обеспечения непрерывности протекания тока возбуждения, шины постоянного и переменного тока, а также цепи защиты преобразователя 6, состоящие из снабберной цепи 13 и обратного диода 14. При этом питание обмоток возбуждения тяговых электродвигателей 7 осуществляется от вторичной обмотки 8 тягового трансформатора 9, которая имеет два электрических вывода 10 через диодный двухполупериодный мостовой выпрямитель 11, плечи 12 которого могут состоять из последовательно и параллельно соединенных диодов, количество которых может изменяться от одного до k при последовательном соединении и от одного до m при параллельном соединении, в котором могут использоваться диоды штыревого, таблеточного или модульного исполнения, последовательно к мостовому выпрямителю подключается управляемое силовое плечо 15, в состав которого входят IGBT-транзисторы или полностью управляемые электронные ключи 2, количество которых может изменяться от одного до n при последовательном соединении и от одного до p при параллельном соединении, в зависимости от мощности электронного ключа, и могут быть модульной или таблеточной конструкции, управляемые от драйверов 3, располагающихся непосредственно на электронном ключе или рядом на охладителе закрепленные через изоляционные шпильки, а также снабберная цепь 13 и обратный диод 14, которые подключаются параллельно электронному ключу и вторичным обмоткам тягового трансформатора 8 и располагаются непосредственно на электронном ключе либо на дополнительном креплении изоляционной плиты, при этом выпрямительная установка возбуждения 1 обеспечивает непрерывное питание обмоток возбуждения тяговых 7 электродвигателей в режиме рекуперативного торможения, количество которых может изменяться от одного до s при последовательном включении.

Помимо вышеизложенного схемотехнического решения, конфигурация выпрямительной установки возбуждения может быть выполнена и в следующем виде, фиг. 2, отличающаяся тем, что питание обмоток возбуждения тяговых электродвигателей 7 может осуществляться от вторичной обмотки 8 тягового трансформатора 9, которая имеет более двух электрических выводов 10 осуществляется через двухполупериодный диодный выпрямитель со средней точкой 11, плечи 12 которого могут состоять из последовательно и параллельно соединенных диодов, количество которых может изменяться от одного до k при последовательном соединении и от одного до m при параллельном соединении, при этом диодные плечи включены между собой параллельно и подключаются к любым выводам вторичной обмотки тягового трансформатора, образуя симметричное напряжение относительно нулевой точки, которой может служить один из выводов вторичной обмотки тягового трансформатора, при этом к двухполупериодному выпрямителю 11 последовательно подключается управляемое силовое плечо 15.

На фиг. 3 показаны диаграммы электромагнитных процессов при работе предлагаемой выпрямительной установки возбуждения, где u_вув и i_вyв - напряжение и ток в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей, u_вув - напряжение управления выпрямительной установкой возбуждения. Питание обмоток тяговых электродвигателей осуществляется путем выпрямления однофазного переменного тока в постоянный, силовыми плечами выпрямительной установки возбуждения.

Управление ВУВ, фиг. 1, фиг. 2, в режиме рекуперативного торможения осуществляется с помощью способа управления, фиг. 3. Данный способ заключается во включении и выключении IGBT-транзисторов путем подачи управляющего сигнала α_reg, который регулируется от середины полупериода к нулю и π, при этом скорость изменения ширины импульса в сторону нуля и π может быть одинаковой или разной. Ширина импульса α_reg выбирается исходя из необходимого тока возбуждения в тяговых электродвигателя. Поддержание тока возбуждения в моменты отключения выпрямительной установки возбуждения от тягового трансформатора осуществляется с помощью работы обратного диода 5, подключенного параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей, при этом время работы его определяется шириной импульса α_D.

Источники информации

1. Комплект электрооборудования электропоезда ЭД9Э. Книга 1. Руководство по эксплуатации 6БС.391.311 РЭ, 105 с.

2. Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, Л.А. Позднякова и др. Электровоз ВЛ-85. Руководство по эксплуатации. М., 1992, 480 с.

3. Патент 2475374 Российская Федерация. Способ повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении электровоза переменного тока и устройство для его реализации [текст] / Портной А.Ю., Мельниченко О.В. Шрамко С.Г., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». - №2010144087/11; заявл. 27.10.2010; опубл. 20.02.2013, Бюл №5. - 4 с.: ил.

Изобретение относится к электрическому транспорту, а именно к силовым полупроводниковым выпрямительным установкам возбуждения однофазного переменного тока, осуществляющим преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный. Данная силовая полупроводниковая выпрямительная установка возбуждения (ВУВ) однофазного переменного тока предназначена для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей (ТЭД) электрического транспорта в режиме рекуперативного торможения. Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности электрического транспорта однофазного переменного тока в режиме рекуперативного торможения, а также повышении эксплуатационной надежности транспортного средства. Технический результат достигается тем, что выпрямительная установка возбуждения в отличие от известных аналогов (прототипов) позволяет осуществлять полное управление питающим напряжением в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей в режиме рекуперативного торможения за счет использования современных полупроводниковых приборов IGBT-транзисторов или других полностью управляемых электронных ключей, образующих полностью управляемое силовое плечо, которое подключается последовательно к диодному двухполупериодному мостовому выпрямителю или двухполупериодному диодному выпрямителю со средней точкой, при этом управление ВУВ в режиме рекуперативного торможения осуществляется с помощью способа управления, заключающемуся во включении и выключении IGBT-транзисторов путем подачи управляющего сигнала, который регулируется от середины полупериода к нулю и π, при этом скорость изменения ширины импульса в сторону нуля и π может быть одинаковой или разной. Ширина импульса выбирается исходя из необходимого тока возбуждения в тяговых электродвигателях. При этом поддержание тока возбуждения в моменты отключения выпрямительной установки возбуждения от тягового трансформатора осуществляется с помощью работы обратного диода, подключенного параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Силовая выпрямительная установка возбуждения для электрического транспорта, в состав которой входят: изоляционная плита, на которой размещены охладители с полностью управляемыми электронными ключами, драйверы их управления, обратный диод, необходимый для обеспечения непрерывности протекания тока возбуждения, шины постоянного и переменного тока, а также цепи защиты преобразователя, отличающаяся тем, что питание обмоток возбуждения тяговых электродвигателей осуществляется от вторичной обмотки тягового трансформатора, которая имеет два электрических вывода через диодный двух полупериодный мостовой выпрямитель, плечи которого могут состоять из последовательно и параллельно соединенных диодов, количество которых может изменяться от одного до k при последовательном соединении и от одного до m при параллельном соединении, в котором могут использоваться диоды штыревого, таблеточного или модульного исполнения, последовательно к мостовому выпрямителю подключается управляемое силовое плечо, в состав которого входят IGBT-транзисторы или полностью управляемые электронные ключи, количество которых может изменяться от одного до n при последовательном соединении и от одного до p при параллельном соединении, в зависимости от мощности электронного ключа, и могут быть модульной или таблеточной конструкции, управляемые от драйверов, располагающихся непосредственно на электронном ключе или рядом на охладителе через изоляционные шпильки, а также снабберная цепь, которая подключается параллельно электронному ключу и располагается непосредственно на электронном ключе либо на дополнительном креплении изоляционной плиты, при этом выпрямительная установка возбуждения обеспечивает непрерывное питание обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в режиме рекуперативного торможения, количество которых может изменяться от одного до s при их последовательном включении.

2. Выпрямительная установка возбуждения по п. 1, отличающаяся тем, что питание обмоток возбуждения тяговых электродвигателей осуществляется от вторичной обмотки тягового трансформатора, которая имеет более двух электрических выводов через двухполупериодный диодный выпрямитель со средней точкой, плечи которого могут состоять из последовательно и параллельно соединенных диодов, количество которых может изменяться от одного до k при последовательном соединении и от одного до m при параллельном соединении, при этом диодные плечи включены между собой параллельно и подключаются к любым выводам вторичной обмотки тягового трансформатора, образуя симметричное напряжение относительно нулевой точки, которой может служить один из выводов вторичной обмотки тягового трансформатора, при этом к двухполупериодному выпрямителю последовательно подключается управляемое силовое плечо.

3. Способ управления силовой выпрямительной установкой возбуждения по пп. 1, 2, в режиме рекуперативного торможения отличающийся тем, что управление заключается во включении и выключении IGBT-транзисторов путем подачи импульса управления, который регулируется от середины полупериода к нулю и π, причем скорость изменения ширины импульса в сторону нуля и π может быть одинаковой или разной, а ширина выбирается исходя из необходимого тока возбуждения в тяговых электродвигателях, который поддерживается в моменты отключения выпрямительной установки возбуждения от тягового трансформатора с помощью работы обратного диода, подключенного параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей.