Способ управления и регулирования вентильным преобразователем Советский патент 1975 года по МПК B60L7/16 H02M5/16 H02P13/16 

Изобретение относится к способам упраления электрическими вентилями и регулирования величины преобразованного напряжения и вентильных преобразователях преимущественно электроподвижного состава геременного тока или многосистемного электроподвижного состава. Такой способ может бы1ъ также использован на преобразовательных подстанциях для повышения энергетических показателей линии элект ропередач, питающих преобразователи, а также в преобразовательных устройствах электропромышленности, питающих различные потребители постоянного тока.

На электровозах и электропоезцах переменного тока с полупроводниковыми вентильными преобразователями для пуска и регулирования скорости п :именяется фазное регулирование напряжения. При этом открытие вентильных плеч преобразователя, которые в данный полупериоц питающего напряжения должны проводить ток, задерживают на некоторый угол и вместо полусинусоиды напряжения трансформатора к натрузке подводят часть ее, что опрецеляет соответствующее значение выпрямленного напряжения. Обеспечивая большие преимущества перед ступенчатым контакторным регулированием (ппавность регулирования, упрощение силовой коммутационной аппаратуры и трансформаторов электропоцвижного состава), фазное регулирование напряжения имеет два существенных недостатка: значительное понижение коэффициента мощности и повышенное искажение формы первичного тока и усиление гармоник тока тональной частоты, влияк щих на линии связи. Это вынуждает сочетать фазное регулирование напряжения со ступенчатым регулированием вторичного напряжения трансформатора, питающего преобразователь. Известные многочисленные схемы этого типа вызывают значительное усложнение вентильного преоЬразователя и его системы управления, препятствуют применению трансформаторов простейитей конструкции с несекционированной вторичной обмоткой.

Применение известных способов импульного управления и регулирования вентиль3

иым преобразойвтслем электропоцвижного состава, питающимся от тятового Т1зансфорьл тора, паралле.иыю Г/ГОГИ-РГНОЙ обмглчсе которого иоцключеи концегсатор, кутем поца.-чи ЮТулируемых по сЬазе yrfpaHjLtijOiiri-ix им... пульсоо ка гла1зпые а гася;иие ynpaBnsTe:v:bie электрическ е вентили, вклэтчетпгьга з иле.KU указанного прео6разова:геля, требуят увел тчеиия установленной моигнос чл элект-рооборуцования.

Цель изобретения и f т j

эконок.Ических я т i гт

показателей электр L н L t системы знергосна 1лi i

Hiie мешаюдего вл ii

на линия связи.

Это достигается новой последочатель-iiocTi o технологических опера -;пй в rq: oiiec- се унравления н peryjisipoaaHHK Бектил:ьным npeo6pa30BaTejre vi, Первоначал 1лго поцают управляющий импульс на главный вект1П;ь оцного плеча ггреобразоватоля, фиксируют момент равенства проиэво ;яьтх тока во вторичной обмотке трансфор./атора if ;, конценсаторе, в этот ЛОмент ноцают зправляю щий цкпОльс на гасяаИй веытил;э этого алеча преобразователя, фиксирунуг л Оли5кт появления .:Лгуцы nepfiorc ar Jij-ia Jiioa;; частоты собствен11ык колобан ; -OKQ ::оп.ценсатора и в этот rjorvieHT с;но1;а управляющий имнульс 1ш главгь; Бе г-;илу этого плеча нрсобразовател. Зптед а ; ;ri«NSBHT времени внутри аангготО aoayaepi ona изменения гнтакш-его Hanpi }i ei: i:;:, ()аооз:: ;(ающий точку перекоца кривой зтото каимаже.ния через нуль на целое чис/ю четогр-гьпериоца частоть; собственных колебан;;} о- ка конаенсатора, поцают унраплякгги; ихлглмгьс на гасяИКй вегтиль этого г;леча гсреобразо.. вателя, фиксируют момент оремеик, Korvia величина нанр -женкя на конаеис |торе лос гает оиачения ак-ггг/нттуаь напряжен;;; г;то. рнчной обмотки тягового трансссорлл.атсоа. В этот мокент ноцают yHptia.ufHoiiHiu ... пульс на главный вентиль этого Hjreaa upeобразователя, затем в пронессе сни ;-:екия напряжетн1я на конценсаторе в прокггшольн лй момент подают унравггяювгп имиусвс и:а гасяшит вентиль этого илеча и|теобразоаа.теля. Далее повтооч.;т нооче| еп,нуJo HOfUJчу унравляк:чии.х iSMnyai coB яа г.4авнь л и .гасяал-1Й вентили этого плеча )вяователя в том же нор1яп.ке цо тек нор пока ток во вторичной обмотке траиефорл1атора не уменвшится цо Be.-H-HniHTji п)), тока конаег1сатор 4, а в ..ieiv HOiy- пеоиоце изменения питающего напряжения всю описа)иую послеаовате ;ьност 1 оноря/нйповторяю/г цля главного и т-асяшего вен,тилей цругого плеча нреобраловате.ия.

Для оегулноования величины выпрямленного напряжения момент поцачи первых )3 неречисле1н-1ых И1./шульсов управления па главнь;й, гасящий и снова на главный вентили смешают по фазе к началу полу периода изменения питающего напряжения цо мо.;еита ,хоца кривой этого напряженя чепез нуль, при этом также ф икси- руют : ;омепл равенства произвоцных токов трансформатора п конценсатора и момент Г1оя)злен1-1я амн-гитуць; первого полупериоца частоты собсгвеги-1Ы7С колебаний тока конаенсатора,

Для Г овыи:енйя энергетических показателей электроноцвижного состава и систе-мы энергоснабжения в пронессе регулироя-аггия выпряг-легтаогс напряжвЕгия момент поцачи нослецуючцих из перечисленных уп- равляюи их vHviriyaBcoB на главный и гася|ц;1Й вентили смещают- г:о фазе к концу по- лунериоца питаю-ц;,его напряжения, при этом такйоэ фиксируют момеьты, когаа величина напряжения па конценсаторе достигает значения ахнтлитуцы напряжения вторичной обмотки тягового 1-|:)ансформатора.

Для перехода на режим рекунератнвно- го тоpiv-;оженив реверси|;уют обмотки воз- бужценип тяговых цвигателей и всю опи- салГую нослецователг.ность операций ноиач 1 управляющих и гнульсов цля главных и гасяглих ве тилей производят при отриялтеаьнога цля п.аннот-о гглеча преобразователя нолуг ер1-)оле И :енеп11я питаюиюго ;ал;:; 1 ;енья,

Онись(вае1ч;ый способ основан на использовании .(окового колебательного процесса 3 конденсаторе, ноцключенном параллельно

н;я и нрииуцительного уме нлиения .гапрения) тока во вторичной обмотке транс- ;;орл атойа э преаелах каждого полупериOiia зменени;.; гн-тающего нанряженргя при э1 ;ос15тельно ма;1ом по габаритам, весу и v:oiiHjocTU шнленсаторе,

Me фиг. 1 изображены различные сиjiOBbic схемы .ного преобразовател

У я:1ав;1неклуго и rjeryasinyeMOfo согласно олись)ваемому способу; на фиг. 2 -- временные aHarpa;v(bi напряжений и токов в нроо01)азо1зател ;, а TaiiKe BpeMeHiibie носледова1е.1:ьнос7-н подачи упра1злшоших импульсов.

BeiiTiijibHHii П :1еобразователь (см. фиг. 1.К с электр яескими ве;гги;1;;л и , нитается от тягового транс(рорк;атора 5, параллельно вторичной обмотке 6 кото)ого поцключен конценса- тор 7. Нагрузкой вентильного преобразователг; Я ляется тятовый цпнгатель с якорной обмоткой 8 и обмоткой воабужцения 9. На фиг. 1 показаны главные, электрические вентили, включенные в пле чи нреобразователя. К главным управляемым электрическим вентилям 1 и 2 подключены гасящие управляемые электрическ вентили (на чертеже не показаны). Таким образом, цва плеча с электрическим if вентилями 1,2 являются по сути цела импyль ными ключами, что отражено в условном изображении этих плеч. Описываемый способ управления и регулирован .я вентильным преобразователем может быть реализован при различных схемах вентильных преобразователей, например в полууправляемых несимметричных (см. фиг. 1а) и симметричных (см. ,фиг. 1б), в полностью управляемых (см. фиг. 1в), с инцивицуальными запирающими устройствами в импульсных ключах, в схемах с общими запирающими устройства ми цля неск;ольких плеч преобразователя. При этом в схемах полностью управляемых преобразователей (см. фиг. 1в) ключи могут быть установлены в любых двух противофазных плечах с электрическими вентилями 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 1, а в цвух цругих .Плечах могут быть установлены или неуправляемые вентили, если предусматривается только режим тяги, или управляемые, если предусматривается также режим рекуперации. Технологические операции управления и регулирования описываются применительно-к силовой схеме вентильного преобразователя (см. фиг, 1а), в котором главные электрические вентили 1 и 2 в плечах моста снабжены вспомогательными гасящими вентилями, т. е, эти плечи представляют собой электрические вентильные ключи, а вентили 3 и 4 в дру гих плечах моста могут быть| неуправляемыми, если предусматривеатся только режим тяги, и управляемыми, если предусм ривается также и режим рекуперации. Подачу управляющего импульса на гла ный вентиль 1 плеча производят в начале полупериода питающего напряжения или с задержкой на регулируемый угол Qf (момен эемени f ) при регулировании выпрямле ного напряжения (см, фиг. 2), Ток двигателей J , протекающий до дв этого момента по цепи противофазных вен тилей 3 и 4, замыкается через конденсатор 7 и вторичную обмотку 6 трансфор тора. При этом конденсатор 7 разряжается, ток в трансформаторе начинает плавно нарастать. В момент t равенства произво ных тока в трансформаторе и конденсаторе подают управляющий импульс на гасящий вентиль этого же плеча преобразователя, тем самым переключают ток двигателей в цепь противофазных вентилей 3,4, а ток трансформатора - в конденсатор 7. В эту паузу происходит заряд конденсатора 7, и рост тока Б трансформаторе замедляется. Далее фиксируют момент появления амплитуды первого полупериода частоты собст венных колебаний тока конденсатора и в момент to снова подают управляющий сэ импульс на главный вентиль этого плеча преобразователя. Соблюдение этого условия обеспечивает отпирание вентиля 1 плеча в момент t без возникновения тоокоБОГо колебательного процесса в транс-v, форматоре. Затем в момент t внутри данного полупериода изменения питающего а напряжения, опережающий точку перехода кривой этого напряжения через нуль на целое число четвертьпериода частоты собственных колебаний контура, включающего в себя индуктивность и емкость сетитрансформатора 5 и параллельно подключенного к нему конденсатора 7, подают управляющий импульс на гасящий вентиль этого же плеча преобразователя. При этом напряжение на конденсаторе 7 -возрастает, вызывая уменьщение тока в трансформаторе (см. фиг. 2). Для предотвращения чрезмерного повышения напряжения на конденсаторе (особенно при выборе малой величины емкости) и соответатвенно на вентилях преобразователя фиксируют момент t , когда это напряжение по величине будет равно амплитуде э,д,с. вторичной обмотки трансформатора, меньше амплитуды или буцет превышать эту амплитуду в принятых заранее пределах. В этот момент снова подают управляющий импульс на главные вентили этого же плеча преобразователя. При этом ток I частично протекает дв через вторичную обмотку 6 трансформатора и частично через конденсатор 7, разряжая его. Однако, пока напряжение на конденсаторе выше э. ц. с. трансформ атора, продолжается уменьиюние тока t в трансформаторе. Далее в процессе разряда конденсатора в произвольный момент еще до момента его полного разряда снова подают управляющий импульс на гасяишй вентиль эторо плеча преобразователя и, таким образом, продолжают процесс гащения тока в трансформаторе, сопровождающийся повышением напряжения на конценсаторе 7. Затем снова фиксирую момент t- , когда напряжение на концен саторе цостигает указанного значения. В этот момент подают управляющие импул сы на главные вентили этого же плеча преобразователя, обеспечивая тем самым аальнейшее уменьшение тока в трансформа торе цо величины принужденного тока с конценсатора. При соблюдении этого условия после запирания вентиля 1 в момент t в контуре вторичной обмотки трансформатора в конденсатора протекает принужденный ток, но колебательного переходного процесса не происходит. Количество пауз и импульсов при гашении тока в трансформаторе может быть произвольным, но при однократном гашении требуется большая емкость конденсатора, тогда как при двух-трех паузах и импульсах величина емкости существенно меньше, что позволяет выбрать конденсатор, вес и габариты которого приемлемы для установки на электроподвижном составе. В схемах полууправляемых несимметричных преобразователей (см, фиг. 1а) описанную операпию многократного гашения тока трансформатора можно завершить как отпиранием ключа в данном плече преобразователя, так и запиранием этого ключа. При этом двигатели в таких схемах переключатся в цепь неуправляемых вентилей 3, 4 (см. фиг. 1а), и эта цепь в силу .неуправляемости этах вентилей самопроизвольно создается также в следующем полупериоде питающего напряжения до момента отпирания вентиля 2 при регулировании момента отпирания этого ключа. В схемах симметричных полууправляемых вентильных преобразователей |см. фи 16) при запирании ключа в данной фазе преобразователя, например вентиля 1, одновременно подают управляюш.ие импульсы на главные вентили 2 противофазного клю ча, обеспечивая тем самым цепь через ве тили 2 и 3 для протекания тока двигателей. В связи с этим к началу следующего п лупериода питающего напряжения главные вентили 2 оказываются открытыми, что и ключает возможность регулирования моме та их отпирания после перехода кривой на пряжения через нуль. Поэтому в таких схе мах описанный процесс многократного га11 ения тока в трансформаторе завершают о пиранием вентиля 1 (см. фиг. 16). В это случае ток двигателей после перехода кри вой питающего напряжения через нуль переклк)чается из плеча вентиля 3 в плечо вентиля 4 и сохраняется в цепи вентилей 1 и 4 до момента отпирания вентиля 2. В схемах полностью управляемых преобразователей (см. фиг. 1в) при запирании одного из ключей также одновременно подают управляющие импульсы на главные вентили другого ключа, обеспечивая тем самым переключение тока двигателей в цепь противофазных вентилей преобразователя, а процесс многократного гашения тока в конце полупериода питающего напряжения может быть завершен так же, как и в схемах полуупраеляемых преобразователей (см. фиг. 1а). Во всех схемах преобразователи при работе двигателей с полным напряжением, т. е. юг да отпирание ключа данной фазы производят в момент перехода кривой питающего напряжения через нуль, процесс мнoгoкpa -. ного гашения тока в трансформаторе завершают запиранием ключа. Для регулирования выпрямленного напряжения мимент подачи первых из перечисленных импульсов, а именно: на главный, гасящий и снова на главный вентили, смещают по фазе к началу полупериоца питаюшего. напряжения до момента перехода кривой этого напряжения через нуль, при этом также фиксируют момент равенства производных токов трансформатора и конценсатора и момент появления первого полупериоца частоты собственных колебаний тока трансформатора. При таком регулировании наибольшее значение коэффициента мощности электроподвижного состава обеспечивается на наивысшей ступени регулирования при полном напряжении на тяговых двигателях. Для обеспечения высоких энергетических показателей электроподвижного состава и системы энергоснабжения во всем диапазоне регулирования напряжения моменты подачи последующих из перечисленных импульсов на главный и гасящий вентили, обеспечивающие процесс многократного гашения тока трансформатора, смещают по фазе к концу полупериода питающего напряжения, при этом также фиксируют моменты, когда величина напряжения на кон- денсаторе 7 достигает значения амплитуды напряжения вторичной обмотки 6 трансформатора 5 или другого заранее принятого значения. В тех случаях, когда наряду с обеспечением высоких энергетических показателей Б процессе регулирования требуется обеспечить также синусоидальную форму тока в трансформаторе, подачу первых управ|ляющий импульсов на главные и гасящие

9

вентили плеча преобразователя в процессе нарастания тока в трансформаторе производят многократно. В этом случае обеспечивают практически синусоидальную форму тока в трансформаторе, совпадающую по фазе с напряжением или смещенную вперед по времени, и практически полность исключают мещающее влияние на линии связи.

Описываемый способ управления и ре- гулирования используется в режиме инвер, тирования для заверщения коммутации тока до окончания полупериода, что обеспечивает повыщение коэффициента мощности

. преобразователя в режиме рекуперативного торможения. При этом всю описанную последовательность операции подачи управляю.щих импульсов для главных и гасящих вентилей производят при отрицательном для данного плеча полупериода изменения питающего напряжения. В этом случае все вентили преобразователя должны быть управляемыми, а для изменения направления э. д. с. Р (см. фиг. 1а) тяговых дви .

гателей, работающих в генераторном режим

: необходимо реверсировать их обмотки возбуждения 9 (или якорные обмотки 8.)

Возбуждение генераторов может быть как независимым, так и последовательным,

Предлагаемый способ управления и регулирования может быть также использован на электроподвижном составе двойного питания, вьполненном на базе электроподви шого состава переменного тока, что

позволяет обеспечить высокие технико-эко- номические и тягово-энергетические показатели в режимах тяги и рекуперативного тфможения как при питании от сети пере- менного, так и постоянного тока. При STOM полностью используется одно и то же электрооборудование при обеих системах питания, а переключения в силовой схеме при переходе с одних режимов на другие минимальны.

Предмет изобретения

1. Способ управления

вентильным преобразователем электроподвижного состава переменного тока, питающимся от тягового трансформатора, параллельно вторичной обмотке которого подключен конденсатор, путем подачи регулируемы по фазе управляющих импульсов на главные и гасящие управляемые электрические вентили, включенные в плечи указанного преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения технико-эконог.шческих л тягово-энергетических показателей электроподвижйогосостав аи систе10

мы энергоснабжения, а также снижения мешающего влияния на линии связи, подают управляющий импульс на главный вентиль одного плеча преобразователя, фиксируют момент равенства производных токои во вторичной обмотке трансформатора и в TL. конденсаторе, в этот момент подают управ-i ляющий импульс на гасящий вентиль этого плеча преобразователя, фиксируют момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора и в этот момент снова подают управляющий импульс на вентиль этого плеча преобразователя, затем в момент времени внутри данного полупериода изменения питающего напряжения, опережающий точку перехода кривой этого напряжения через нуль на целое число четвертьпе- риода частоты собственных колебаний тока конденсатора, подают управляющий импульс на гасящий вентиль этого плеча преобразователя, фиксируют момент времени, когда величина напряжения на конденсаторе дости

гает значения ак-шлитуды напряжения вторичной обмотки тягового трансформатора, в этот момент подают управляющий импульс на главны:, вентиль этого плеча преобразователя, затем в процессе снижения напряжения на конденсаторе подают управляющий импульс на гасящий вентиль этого плеча преобразователя, далее повторяют иооче редкую подачу управляющих импульсов на

главный и гасящий вентили этого плеча преобразователя в том же порядке до тех пор, пока ток во вторичной обмотке трансформатора не уменьшается до величины принужденного тока ко1аденсатора, а в следующем полуперноде изменения питающего , напряжения всю описанную последователь-.., ность операций повторяют для главного и Гасящего вентилей другого плеча преобразователя.. .,

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью регулирования величины выпрямленного напряжения, первые из перечисленных управляющих

импульсов на главный, гасящий и снова на главный вентили одного плеча преобразователя смещают по фазе к началу полупериода изменения питающего напряжения до момента перехода кривой этого напряжения через нуль, при этом также фнкси- . руют момент равенства производных токов трансформатора и конденсатора и момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора.

3. Способ по п.1и2, отличаю щ и и с я тем, что, с целью повышения энергетических показателей электропод11

Ш1жиого состава и системы энергоснабжения в процессе регулирования напряжения, последующие из перечисленных управляющих импульсов на главный и гасящий вентили смещают но фазе к концу полупериода питающего напряжения, при этом также фиксируют моменты, когда величина напряжешш HI конденсаторе достигает значения амплитудь Р1апряжения вторичной обмотки тягового трансформатора.

4. Способ по пп. 1--3, отличающ и и с я тем, что, с целью перехода в режим рекуперативного торможения, реверсируют обмотки возбуждения тяговых двигателей и всю описанную последователь-ность операций подачи управляюяшх импуль сов для главных и гасящих вентилей пройодят при отрицательном для данного плеча преобразователя полупериоде измепетя питающего напряжения.

а

.A.AAJk-A.Ay rV - rwXV) (5

- г

7 J iput-l