Способ управления вентальными преобразователями электроподвижного состава переменного тока Советский патент 1980 года по МПК B60L9/12 H02M7/155 H02P13/18 

вателей и в момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на гасящие вентила , второго преобразователя, а ь следующем полуперноде питающего напряжения очередность работы преобразователей меняют Для снижения потерь напряжения в тяговой сети на конедаой стадии регулированна при полном напряжении на тяговых электродвигателях при уменьшении фазы первоначального управляющего нм- пульса до мш1нмальной величины можно подать управляющие импульсы на главные вентили также других преобразователей, затем при достижении током вторичной обмотки трансформатора величины тока нагрузки одного преобразователя подают управляющие импульсы на гасящие венти ли одного преобразователя и в момент достижения током во вторичной обмотке трансформатора величины, равной общему току нагруйки всех преобразователей, подают управляющие импульсы на главные вентили Ti;a3aHHbix преобразователей, На конечной стадий регулирования поо ле того, как вследствие подачи первоначальных управляющих импульсов на глав ные вентили одаого преобразователя минимальное напряжение на конденсаторе уменьщают до нуля, подают управляющие HMtiyhbCbi на противофазные гасящие вентилиодного из преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот мо мент тока главные вентили. Для повышения коэффициента мощности за счет устранения короткого замыкгщия вторичной обмотки трансформатора в процессе коммутации главных вентилей прео разователей и уменьшения минимальной фазы первоначальных управляющих ямпуль сов одновременно с первоначальными управляющими импульсами на главные вентили одного преобразователя управляющие импульсы на противофазные гасящие вентили одного из преобразователей которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные венти ли, и затем в момент появления амплиту ды первого полупериода частоты собствен ньк колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на главные венти ли другого преобразователя. На фиг. 1 показана принципиальная бло ная еютовая схема двух попууправляе-. мых симметричньк вентильньос преобразо .вателей: на фиг. 2- временные диаграммы напряжений и токов в процессе регулирования напряжений; на фиг.З - то же, на онечной стадии регулнрования на фиг.4 финципиальная силовая схема двух полуупавляемьк несимметричньк вентильных реобразователей с подключением гасящазс ентилей к одному концу вторичной обмоти трансформатора; на фиг.5 - кривая напяжения на вторичной обмотке трансфоратора и конденсатора и моменты подачи управляющих импульсов} на фиг.6 - другой пример принципиальной силовой схемы двух полууправляемых несимметришьк вентильньк преобразователей с подключением гасящего вентиля одного вентильного преобразователя к одному концу вторнчной обмотки трансформатора, гасящего .вентиля другого вентильного преобразователя - к концу вторичной обмот- KKj на фиг.7 - соответствующие фиг.б кривая напрял ения трансформатора и алгоритм управле}шя в процессе регулирования. Вентильные преобразователи 1 и 2 . электроподвижного состава переменного тока питаются от траснформатора 3, параллельно вторичной обмотке 4 которого под1сл1очен ксжденсатор 5 (см.фиг.1).Каждый из вентильных преобразователей 1 и 2 выполнен по известной мостовой схеме из управляемые, и неуправляемых электрйческих вентилей. Вентильный преобразователь 1 содержит два полностью управляемых плеча б и 7, каждое из которых состоит, в свою очередь, из главного и гасящего электрического вентиля, а также вспомогательного вентиля, коммутирующего дросселя а коммутирующего конденсатора. В принципе полностью управляемое плечо вентильного преобразователя может быть выполнено по любой известной схеме. Два других плеча 8 и 9 вентильного преобразователя 1 вьтолнены в виде неуправляемых электрических вентиле хотя принципиально возможно ах выполнение в виде управляемьк электрических вентилей или же в виде полнсхзтью управляемого плеча подобно плечам 6 и 7. Вентильный преобразователь 2 (см.фнг.1) подобен преобразователю 1 н содержит полностью управляемые плечи 10 н- 11 неуправляемые плечи 12 н 13, При угле фазового регулирования оС 1см,фиг.2) в полупериод питающего напря ження сета U Vfjibi УМ-амплитуда вторичного напряже ния трансфс матора 3, соответствующая полярности напряжения, отмеченной на фнг. 1 стрелкой и знаками + - на коиденсаторе 5, до мемента времени t то- ки тяговых двигателей, поддерживаемые ЭДС самоиндукции сглаживающ 1Х реакторов, замыкаются через плечи 7,8 вентиль ного преобразователя 1 и плечи 11,12 вентильного преобразователя 2. В цепи вторичной обмотки 4 трансформатора 3 и конденсатора 5 протекает емкостной ток U - 3.. tios , где 11-м оц - амплитуда принужденного емкостного тока. На фиг. 2 обозначено также напряжение Uc на конденсаторе 5. Для упрощения процессы в силовой схеме описаны при допущении , что вьшря ленньй ток двигателя Odi/2 идеально сглажен bd/2 Odi/2 const в момент времени i открьшается пол ностью управляемое плечо одного из вен-тильных преобразователей, например плечо 6 преобразователя 1. При этом, поскольку трансформатор 3 обладает индуктивным сопротивлением, выпрямленньй ток группы тяговых двигателей, рааньо половине общего тока 3d , замыкается через конденсатор 5, и начинается его разряд. По мере разрядка емкости конденсатора 5 нарастает ток 1- в трансформаторе 3. К моменту времени Ь , отстоящему от момента времени -Ь на четверть периода колебаний контура трансформатора 3 - кон денсатор 5 с некоторой собственной угловой частотой, весь ток d открытог вентильного преобразователя замыкаетия через трансформатор 3. Но в этот ;.оменг напряжение на конденсаторе 5 ( ;сэ, минимальную величину и под дейсг;,::йм ЭДС трансформатора 3, превышающей иалряже- на конденсаторе 5, нач1шается заряд последнего, и процесс роста тока в трансформаторе продолжается, причем все более замедленно. Если не учитьтать затухания колебательного процесса из-за наличия .активных сопротивлений, то к моменту вре мени Ь , соответствующему полупериоду колебательного процесса, прирост тока во вторичной обмотке 4 трансформатора 3 до тигает полной величины Id . Для момента времени ti, характерно появление амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора 5. В этот момент зарядный ток конденсатора достигает - 3d (точнее dd- d) ), открывается полностью управляемое плечо 1О второго вентильного преобразователя 2 и ток второй группы тяговых двЕггателей замыкае -ся через вторичную обмотку 4 трансформатора, тогда как зарядный ток через конденсатор 5 пре кращается. На конечной стадии регулирования, пооле того как вследствие подачи первоначальньк управлшощих импульсов на главные вентили 6 (см.фнг. 1) одного преобразователя минимальное напряжение на кснденсатрре 5 уменьшается до нуля (см.фиг.З), подают управляющие импульсы на противофазные гасящие вентили плеча о/шого из вентильных преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили, например в плече 10, обеспечивая тем самым даль-нейший рост тока во вторичной обмотке 4 трансформатора 3. Для устранения короткого замыкания вторичной обмотки 4 трансформатора 3 в процессе коммутации главных вентилей преобразователей как в процессе изменения фазы утла регулирования о (см.фиг.2, и 3), так и в момент перехода кривой питающего напряжения через нуль, т.е. при О 0, одновременно с импульсами управления на главные вентили одного преобразователя, например в плече 6 (см.фнг. 1), подают управляющие импульсы также и на противофазные гасящие вентили одного из преобразователей, которва соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили, например в плече 10 (см.фиг. 1), а затем в момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора 5 подают управляющие импульсы на главные вентили в плече 10. Для гашения тока в трансформаторе 3 в конце полупериода питающего напряженна осуществляется обратный процесс. В момент времени t закрывается полностью управляемое плечо it) вентильного преобразователя 2. Выпрямленньй ток второй группы тяговых двигателей замыкается через плечи 11 и 12 йентильного преобразователя 2, а половина тока .Ы вторичной обмотки 4 трансформатора 3 замыкается через конденсатор 5, вызывая начало заряда его емкости. Повыщение напряжения на конденсаторе 5 сопровождается все более ннтен- сивньм падением тока во вторичной обмотjce 4 трансформатора 3 и в самом конденсаторе 5. Через четверть периода колебательного процесса в конденсаторе 5 ток падает до нуля, а во вторичной обмотке 4 трансформатора 3 до - Jol В момент времени -tg напряжение на конденсаторе 5 достигает максимальной величины и, поскольку оно превышает ЭДС, трансформатора 3, продолжается падение тока в последнем, а в конденсаторе 5 появляется ток обратного направления, т.е.

7515674

начинается разряд. В конце полупериода питающего напряжения колебательного процесса - момент времени Ь , конденсатор 5 разряжается, ток в трансформаторе 3 падает почти до нуля (точнее ао Ov C;OSU)x }, а выпрямленный ток первой группы тяговых двигателей замыкается через конденсатор 5. В момент времени t, закрывается полностью управляемое плечо 6 вен тнльного преобразователя 1, и ток первой группы тяговых двигателей замыкается через плечи 6 и 8 вентильного преобразоватепя 1, тогда как -ток через кс«денсатор 5 прекращается. Такой способ управления процессом ком мутации, как при образовании цепи тока через трансформатор в начале или середине полупериода; питающего напряжения (при фазовом регулировании напряжения), так и при запирании тока в кс«це данного полупериопа питающего напряжения, обеспечивает повышение коэффициента мощности электроподвижного состава, снижение потерь напряжения в тяговой сети и позволяет отказаться от применения промежуточных ступеней регулирования, увеличивающих потребное количество тиристоров и усложняющих конструкцию трансформатора. Одновременно достигается сокращение высщих гармоник тока в тяговой сети и снижение мещающего влияния тягового тока на линии связи. Последнее обеспечивается в полной мере, если после отпирания первого вентильного преобразователя, в конце коммутации ток в трансформаторе достигает величины выпрямленного TOKadd и приращение этого тока во времени cilj/dt в момент времени V.ij отпирания второго вентильного пре образователя будет равна нулю или при пульсирующем токе величине ai/Лвыпрямленного тока, после отпирания второго вентильного преобразователя. Дальнейщее усовершенствование предлагаемого способа помимо указанного пойожигельного эффекта позволяет также применить на электроподвижном составе более простую силовую схему, а именно вместо четырех полностью управляемых плеч для двух вентильных преобразователей (см.фиг. 1) возможно использовать преобразователи только с двумя полность управляемыми плечами (см.фиг.4). Вентильный преобразователь 1 выполйен по мостовой схеме с четырьмя пле- нами 6-9 (см.фиг.4), из которых; плечи 6 и 9 вьгаолнены в виде неяфавляемых электрических вентилей, плечо 8 - в вйде

управлясмого электрического вентиля, плечо 7 является полностью управляемым и состоит из главного вентиля 14, гасящего вентиля 15, вспомогательного вентиля 16, коммутирующего дросселя 17 и коммутиРующего конденсатора 18. Вентильный преобразователь 2 выполнен по мостовой схеме с четырьмя плечами 10-13, из которых плечи 10 и 1,3 -выполнены в виде неуправляемых электрических вентилей, плечо 11 в виде управляемого электрического вентиля, плечо 12 является полностью управляемым и состоит из главного вентиля 19 гасящего вентиля 20, вспомогательл . ного вентиля 21, коммутирующего дросселя 22 и коммутирующего конденсатора 23. Гасящие вентили 15 и 20 подключены к одному (на фиг.5 - к левому) концу вторичной обмотки 4 трансформатора 3. Управление и регулирование вентильных преобразователей 1 и 2 производят следую щим образом. В соответствующие полупери- оды изменения питающего напряжения коммутирующие конденсаторы 18 и 23 заряжаются соответственно по цепям через 17,16,15,6 и 22,21,9 от вторичной обмотки 4 трансформатора 3 и приобретают на нижних (см.фиг.4) обкладках положительный потенциал. До момента отпирания управля- емых вентилей токи тяговых двигателей первого и второго вентильных преобразователей протекают по цепи плеч соответственно 9,6 и 13,10 под действием ЭДС, запасенной в индуктивностях сглаживающих реакторов и обмоток двигателей. В момент, перехода кривой питающего напряжения через нуль при реализации известньк способов управления подают щирокий по длительности управляющий импульс, например, на плечо 8 первого вентильного преобразова- теля 1. Поскольку обмотка 4 трансформатора 3 в этом случае оказьшается закороченной плечами 8 и 9, то коммутация тока -двигателей из цепи вентиля 9 в цепь вентиля 8 осуществляется под действием тока короткого замыкания, а вьшрямленное напряжение при этом равно нулю. Для устранения короткого замыкания вторичной обметки 4 в процессе переключения тока из цепи плеча 9 в цепь плеча 8 при использовании предлагаемого способа управления одновременно с подачей коротких по длительности-управляющих импульсов на управляемый вентиль 8 производят подачу-управляющего импульса еще и на гасящий вентиль 15 противофазного плеча этого же вентильного преобразователя 1 (см.фиг.5, момент времени). В этом случае ток гяговьк двигателей переключается из цепи плеч 9,6 в цепь 8, 15, 17,18 под действием напряжения коммут рующего конденсатора 18, Далее в проце нарастания напряжения на вторичной обмотке 4 трансформатора 3 (плечо 9 .-же заперто) ток тяговых двигателей перемещается в цепь конденсатора 5 и вторично обмотки 4 трансформатора, а коммутирую щий конденсатор 18 заряжается по цепи 6,16 и через дорсрель 17 от вторичной обмотки 4 трансформатора 3. При этом Б обмотке трансформатора и конденсаторе 5 возникает колебательный процесс тока с частотой собственных колебаний, обусловленной емкостью конденсатора 5 и индуктивностью трансформатора. Через полупериод частоты собствен лых колебаний ток в обмотке 4 трансформатора достигает величины, равной общему току обоих вентильных преобразовате- лей. В момент времени tr (см.фиг.5) подают управляющий импульс на главньй вентиль 19 той же фазы, но уже другого вентильного преобразователя 2. Ток тяговых двигателей переключается из це- пи плеч 13,10 в цепь главного вентиля 19, а в конденсаторе 5 ток скачком спадает до величины принужденного тока, и колебательный процесс прекращается. При этом процесс переключения тока из цепи плеча 13 в цепь главного вентиля 19 не сопровождается коротким замыканием, так как к моменту подачи управляющего импульса на главный вентиль 9 во вторичной обмотке 4 трансформатора 3 уже протекал суммарный ток нагрузки вентильного преобразователя, а дальнейщий его рост означал бы потерю вентильных свойств плеч 13 или 9, Далее-токи тяговых двигателей проте- кают по цепям соответственно 8,6 и 19, 10 под действием ЭДС вторичной обмотк 4 трансформатора 3. Коммутирующий кон денсатор 18 продолжает заряжаться чере цепь 6Д6 и дросселБ 17, и напряжение на нем достигает амплитуды напряжения вторичной обмотки 4 через четверть периода изменения питающего напряжения, В момент -Ьт, (см.фиг.5), опережающий следующую точку перехода кривой питающего напряжения через нуль, т.е. еще в пределах данного полупериода, подают управляющий импульс на гасящий вентиль 19 (см.фиг.4) второго вентильно го преобразователя, переключая тем самы ток двигателей снова в цепи плеч 13 и Ю, а ток трансформатора в конденсатор 5. Снова возникает колебательный ток в конденсаторе, в результате которого к концу 11олуае(11юда иитшсицого )гапряжения ток D тра11сформато 10 к конденсаторе 5 спадает до велич шы принужденного тока, а токи тяговььх двигателей снова замыкаются по цепям плеч соответственно 13, 10 и 9,6. Для обеспечения симметрпн в нагрузке двигателей по полупериодакт очередность работы вентильных преобразователей в следующем полупериоде изменяют на обратную. Здесь (см.фиг.З) первыми подают управляющие импульсы на плечо 11 и гасящий вентиль 19 второго вентильного преобразователя, затем также через по- лупериод частоты собственных колебаний тока в конденсаторе 5 подают управляю- - щий импульс на гдавный вентиль 14 первого вентильного преобразователя, а гй- шение тока в траснформаторе 3 производят аналогично, но уже с подачей управляющего импульса на гасящий вентиль 15. На фиг.6 показан вариант принципиальной силовой схемы, где вснтильньй преобразователь 1 выполнен по мостовой схеме с четырьмя плечами 6-9 выполненными так же, как и в предыдущем варианте (см.фиг.4). Вентильный преобразователь 2 выполнен по - прежнему с четьфьмя плечами 10-13, из которьк плечи 11 и 12 выполнены в виде неуправляемых электрических вентилей, плечо 13 - в виде управляемого электрического вентиля, плечо 10 является полностью управляемым и состоит из главного вентиля 24 , гасящего вентиля 25, вспомогательного вентиля 26, коммутирующего дросселя 27 и коммутирующего конденсатора 28. Гасящие вентили 15 н 25 в aTOiv: варианте подключены к различным концам вторичной обмотки 4 трансформатора 3. Соответственно фиг.6 на фиг.7 показана кривая напряжения вторичной обмотки 4 трансформатора 3 и моменты подачи управляющих импульсов на вентили 8, 14, 15 вентильного преобразователя 1 и на цепь 13,24,25 вентильного преобразователя 2 в оба полупериода питающего напряжения, с целью регулирования выходного напряжения, а следовательно, и скорости электроподвижного состава,, момент подачи первых из указанных управляющих импульсов на главные и гасящие вентили в пределах каждого полупериода питающего напряжения смещает по фазе, т.е. изменяют угол с (см.фиг.7). Для осуществления инверторного режима работы преобразователя при рекуперативном торможении электроподвижного состава Все вентили должны быть упраиляе- мыми, a управление производяг аналогично режиму выпрямления. В таком гюяностью управляемом преобраэоватзле вспомогательные цепи для гашения тока в главных вентилях могут быть усгановлены в любьгх плечах вентильиьк преобразователей и в любом количестве. Предлагаемый способ управления позво ляет устранить короткое замыкание обмотки трансформатора при использова НИИ коротких по длительности импульсов управления вентилями, утч еньшкть индуктивное падение напряжения к увеличить вьтрямленное напряжение, существенно повысить коэффициент мощности ЭПС, снизить потери напряжения в тяговой сети и уменьшить мешающее воздействие тяговой сети на линии связи, а также путем применения коротких управляющих импульсов снизить мощность, габариты и вес системы управления вентилями преобразователя. Способ осуществлен на мощ ном лабораторном стенде, включающем в себя основное силовое электрооборудо вание электроподвиишого состава перемен иого тока - тяговый трансформатор ОЦР 1ООО-25, тяговые электродвигатели УРТ 110, сглаживающие реакторы СР80 н вентильньй преобразователь, схема ко торого в процессе опытов выполнялась Б различных вариантах по типу известных несимметричных к симметричнъж полууп равляемых и управляемьгх мостовьк схем Формула изобретения 1„ Способ управления вентильными преобразователями электроподвийоюго сос тава переменного тока питшощимяся от трансформатора, параллельно вторичной обмотке которого подключен конденсатор, заключающийся в подаче регулируемых по фазе управляющих импульсов на главные и гасящие управляемые электрически вентили, отличающийся тем , что, с целью повьшдения технкко-економи- ческих н тягово-энергетических показате лей электроподвижного состава и системы энергоснабжения, подают первоначально регулируемые по фазе управляющие импул сы на главные вентили одного преобразователя,и в момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора иодшот упра ляющие импульсы на главные вентили Дру гого преобразователя, затем во второй лоловине данного полупериода питающего напряжения подают управлшощие импульсы а гасящие вынтили одного из преобразоателей и в момент появления амплитуды ервого полупериода частоты собственных олебаний тока конденсатора подают упавляющие импульсы на гасящие вентили торого преобразователя, а в следующем олупериоде питающего напряжения очередость работы тфеобразователей меняют. 2, Способ поп.1, отличающйс, я тем, что, с целью снижения потерь напряжения в тяговой сети на конечной стадии регулирования при полном напряжении на тяговых: электродвигателях при уменьщенин фазы первоначального управляющего импульса до минимальной величины , подают упарвляющие импульсы на главные вентили также других преобразователей, затем при достижении током вторичной обмотки трансформатора величины тока нагрузки одного преобразователя подают управляющие импульсы на гасящие вентили одного преобразователя и в момент достижения током во вторичной обмотке трансформатора величины, равной общему току нагрузки всех преобразователей, подают управляющие импульсы на главные аентили указанных преобразователей. 3„ Способ по п.1, отличающийся тем, что на конечной стадии регулирования, после того, как вследствие подачи первоначальных управляющих кмпульсов на главные вентили одного преоб- разователя минимальное напряжение на конденсаторе уменьщают до нуля, подают управляющие импульсы на противофазные гасящие вентили одного из преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили. 4, Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента мощности путем устранения короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора в процессе коммутации главньк вентилей преобразователей и уменьшения минимальной фазы первоначальных управляющих импульсов, одновременно с первоначальными управляющими импульсами на главные вентили одного преобразователя подают управляющие импульсы, на противофазные гасящие вентили одного вз преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили, и -затем в момент появления амплитуды первого нолупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на главные вентили другого преобразователя. i,t.i Фиь.д Ц 5 6

f t/ji.

Tlbff,I, т т

, Фиг. 6 t ц t .7