Устройство для управления тиристорным инвертором Советский патент 1980 года по МПК H02P13/16 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЬШ ИНВЕРТОРОМ

1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для управления работой выпрямительно-инверторного преобразователя в инверторном режиме, преимущественно на электроподвижном соста- 5 ве переменного тока с рекуперативным торможением (инвертированием).

Известно устройство для управления тиристорным инвертором 1, содержащее формирователь управляющих ймпульсов, орган измерения угла коммутаций; полупроводниковый генератор пилообразного напряжения, блЛк управления им, снабженный датчиком напряжения питающей сети и транзисторным усилителем, источник опорного напряжения смещения и источник ди- ,5 намического напряжения смещёнй я,сбёдйненный так, что последний снабжен полупроводниковым элементом, цепь управления которого подключена к выходу органа измерения угла коммутации, и подключенный параллельно полупроводниковому эйё- 2б менту цепочкой из диода и конденсатора, шунтированного регулируемым сопротивлением, расположенным во входной цепи формирователя управляющих импульсов, атранзисторный усилитель блока управления полупроводниковым генератором пилообразного напряжения снабжен сопротивлением смещения, подключенным между коллектором и базой транзистора, к которой подключен выход датчика напряжения питающей сети.

Это устройство реализует закон регулирования по постоянству угла запаса (угла погасания) тиристоров инвертора.

Такое регулирование обуславливает наличие в регулируемой системе положительной обратной связи по току инвертора, сводящейся к тому, что с увеличением угла коммутации, обусловленном, например, ростом тока нагрузки, увеличивается угол зажиганий тир-исторов й уйеНЬ111а&тСя напряжение инвертора, а это вызывает дальнейщее нарастание тока инвертора. Наоборот, уменьщение угла коммутации, т.. е. уменьщение тока нагрузки, приводит к уменьщенМю угла зажигайияГ ТОрргсторов и, следова тЬльно, к увеличению напряжения инвертора, что вь1зь1ваёт Ще больщее уменьщение тока. Наличие положительной обратной связи по тОку инвертораухудщает качество работы и динамические свойства всей управляемой системы, а также требует применения специальных мер по обеспечению устойчивости инвертора, т.е. мер, предотвращающих опрокидывание инвертора. Для соблюдения условий устойчивости в цепь нагрузки инвертора обычно включают добавочное активное сопротивление, что приводит к снижению энергетических показателей инвертора. Перечисленные недостатки проявляются с наибольшей остротой в момент начала инвертирования, когда динамические (переходные) процессы в регулируемой системе сопровождаются большими скоростями изменения (нарастания) тока инвертора, что еще больше усложняет и без того «жесткие условия входа в режим рекуперативного торможения на электроподвижном составе.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для управления тиристорным инвертором 2.

В этом устройстве к тиристорному инвертору подключен измеритель угла коммутации, который содержит трансформатор, маломощный тиристор, резистор и транзисторный усилитель, соединенные так, что обмотка трансформатора с маломощным тиристором и шунтирующим резистором подключена к входу транзисторного усилителя, а также к входу одновибратора. Выходы измерителя угла коммутации и одновибратора подсоединены к соответствующим входам элемен та совпадения (элемента сравнения), выход которого через интегрирующий усилитель подсоединен к узлу управления инвертором.

Основной недостаток этого устройства заключается в том, что он также обуславливает наличие положительной обратной связи по току инвертора, вследствие чего В момён т начала инвертированиявозрастает вероятность опрокидывания инвертора. Опрокидывание инвертора в случае отказа защиты является тяжелым аварийным режимом, приводящим к сквозному пробою тиристорных плеч инвертора.

Цель изобретения - повышение устойчивости инвертора, предотвращающей его опрокидывание, и уменьшение скорости нарастания инвертируемого тока в момент входа в режим рекуперативного торможения путем исключения положительной обратной связи по току инвертора и регулирования уг. ла зажигания тиристора инвертора по определенной программе, а также повышение плавности торможения и безопасности движения поездов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее элемент совпадения, к одному из .входов которого подключен измеритель угла коммутации, интегрирующий усилитель и узел управления инвертором, состоящий из фазосдвигающего эле.мёнта, выход которого через распределитель импульсов соединен с блоком выходных усилителей, введены генератор прямоугольных импульсов, диод, три резистора, суммирующий элемент, элемент НЕ, три дополнительных элемента совпадения, триггер с раздельным запуском, дифференцирующая и интегрирующая RC-цепи так, что выход генератора прямоугольных импульсов подсоединен к одному из входов основного элемента совпадения, между выходом которого и входом интегрирующего усилителя включены параллельно соединенные первый резистор и диод, а между выходом интегрирующего усилителя и входом фазосдвигающего эле

мента включены последовательно соединенные второй резистор и суммирующий элемент. Выход фазосдвигающего элемента соединен с входом одновибратора и с одним из входов первого дополнительного элемента

совпадения, ко второму входу которого через элемент логического отрицания НЕ подсоединен выход одновибратора, выход первого дополнительного элемента совпадения подсоединен к одному из входов второго дополнительного элемента совпадения, а выход одновибратора - к одному из входов третьего дополнительного элемента совпадения. Второй и- третий дополнительные элементы совпадения вторыми входами подсоединены через дифференцирующую RC-цепь к выходу измерителя угла коммутации, а выходы двух последних элементов совпаденияк соответствующим входам триггера с раздельным запуском, выход которого через интегрирующую RC-цепь и третий резистор подсоединен ко второму входу суммирующего

0 элемента.

На фиг71 изображена блок-схема описываемого устройства; на фиг. 2, 3 и 4 приведены временные диаграммы напряжений на выходах элементов устройства.

5 Устройство для управления тиристорным инвертором (фиг. 1) содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, выход которого подсоединен к одному из входов основного элемента 2 совпадения. Ко второму входу основного элемента 2 совпадения подключен вь1ход измерителя 3 угла коммутации. Выход элемента 2 совпадения через параллельно соединенные первый резистор 4 и . диод 5 подсоединен Квходу интегрирующего усилителя 6, выход которого через второй

i резистор 7 подключен к одному из входов суммирующего элемента 8. Выход суммирующего элемента 8 подсоединен к входу фазосдвигающего элемента .9, выход которого через распределитель 10 импульсов фазосдвигающего, элемента и блок 11 выходных усилителей подсоединен к управляющим элект2одам силовых тиристоров соответствующих ступеней и плеч инвертора 12. Выход фазосдвигающего элемента 9 подсоединен также к входу одновибратора

5 13 и к одному из входов первого дополнительного элемента 14 совпадения. Выход одновибратора 13 подключен к одному из входов третьего дополнительного элемента 15 совпадёйия и через элемент НЕ 16 ко

второму входу элемента 14 совпадения. Выход элемента 14 совпадения подсоединен к одному из входов второго дополнительного элемента 17 совпадения. Ко вторым йходам элементов 15 и 17 совпадения через Дифференцирующую RC-цепь 18 подсоединен выход измерителя 3 угла коммутации. Выхо, . элементов 15 и 17 совпадения подсоединены к соответствующим входам триггера 19 с раздельным запуском, выход которого через интегрирующую 20 и через третий резистор 21 подключен ко второму входу суммирующего элемента 8.

Инвертор 12 подсоединен к тяговому двигателю 22 и силовому трансформатору 23.

Все элементы предлагаемого устройства для управления тиристорным инвертором могут быть реализованы на интегральных микросхемах. Резистор 7, резистор 21 и суммирующий элемент 8 конструктивно могут входить в состав фазосдвигающего элемента 9.

Работа устройства поясняется приведенными на фиг. 2, 3 и 4 временными диаграммами. На фиг. 2.приведены временные диаграммы напряжений на выходах соответствующих элементов устройства, когда длительность импульсов Uy с выхода измерителя 3 угла коммутации меныие длительности импульсов UOOH с выхода одновибратора 13, а временное совпадение импульсов US с выхода генератора 1 прямоугольных импульсов и импульсов U} с выхода измерителя 3 угла коммутации отсутствует. На фиг. 3 приведены временные диаграммы напряжений на выходах соответствующих элементов устройства, когда длительность импульсов и у с выхода измерителя 3 угла коммутации больще длительности импульсов UOOH с выхода одновибратора 13, а временное совпадение импульсов US с выхода генератора 1 прямоугольных импульсов и импульсов Ujj с выхода измерителя 3 угла коммутации по-прежнему отсутствует. На фиг. 4 приведены временные диаграммы напряжений на выходах соответствующих элементов устройства, когда имеет место временное совпадение импульсов Uf с выхода генератора прямоугольных импульсов и .импульсов и с выхода измерителя. угла коммутации.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 прямоугольных импульсов, синхронизированный напряжением питающей (контактной) сети, формирует в конце каждого полупериода, питающего преобразователь напряжения, прямоугольные опорные импульсы из, длительность которых равна заданной величине угла запаса 8э тиристоров инвертора (см. фиг. 2, 3, 4).

Импульсы US с выхода генератора прямоугольных импульсов поступают на одий из входов элемента 2 совпадения, на выходе которого импульсы и 2 будут отсутствовать до тех пор, пока длительность импульсов

Uy-, подаваемых с выхода измерителя 3 угла коммутации на второй вход элемента 2 совпадения, будет такой, что величина фактического угла запаса 5 |j тиристоров инвертора будет больше заданного угла запаса 5 5з, т. е. пока 5j. При этом на вход интегрирующего усилителя б с выхода элемента 2 совпадения импульсы. Ug не поступают, поэтому будет отсутствовать напр :жениё, подаваемое с выхода интегрирующего усилителя б на вход суммирующего элемен10та 8.

Фазосдвигающий элемент 9, синхронизированный напряжением питающей (контактной) сети, формирует импульсы U/3 прямоугольной формы, фаза передних фронтов которых соответствует величине угла зажигания J3 тиристоров инвертора. Импульсы с выхода фазосдвигающего элемента 9 через распределитель 10 этих импульсов по полупериодам питающего напряжения и через блок 11 усилителей поступают

0 на управляющие электроды тиристоров соответствующих ступеней и плеч инвертора 12, регулируя фазу открытия тиристоров. Импульсы с выхода фазосдвигающего элемента 9 поступают также на вход рдновиб5 ратора 13 и на один из входов элемента 14 совпадения. Одновибратор 13 формирует прямоугольные импульсы постоянной длительности TO, поступающие на один из входов элемента 15 совпадения, а также поступающие через элемент НЕ 16 на второй вход элемента 14 совпадения. Если по-, ступающие на входы элемента 14 совпадения импульсы и с выхода фазосдвигающего. элемента 9 и инвертированные импульсы UOOK с выхода элемента 16 логического

J отрицания совпадают во времени, на выходе элемента 14 совпадения формируются импульсы и , которые подаются на один из входов элемента 17 совпадения. На вторые входы элементов 15 и 17 совпадения подаются импульсы Uj с выхода дифференцирующей RC-цепи 18, соответствующие заднему фронту импульсов Uj с выхода измерителя угла коммутации 3.

Выходные импульсы дифференцируюJ щей RC-цепи 18, соответствующие переднему фронту импульсов и с выхода измерителя 3 угла коммутации, через элементы 15 и 17 совпадения не проходят, так как они ограничиваются диодными ограничителями, конструктивно входящими в состав этих O элементов совпадения. Импульсы UJ. и UOJM с выхода дифференцирующей RC-цепи 18 и с выхода одновибратора 13 соответственно будут совпадать во времени на входе элемента 15 совпадения до тех пор, пока ин. вертируемый ток инвертора 12, увеличиваясь, будет иметь такое значение, при котором зависящая от его величины дли-, тельность импульсов Uyc выхода измерителя

3 угла коммутации будет меньше длительности импульсов UogMC выхода одновибратора 13 (фиг. 2). Следует ййеть ввиду, что в этом случае на входе элемента 17 совпадения будет отсутствовать временное совпадение импульсов и и Lf с выхода дифференцирующей RC-цепи 18 и с выхода элемента 14 совпадения соответственно. Поэтому, на выходе элемента 17 совпадения импульсы и 17 в этом случае не формируются и не подаются на один из входов триггера 19 с раздельным запуском. При оДНовременном присутствии импульсов ,ио|нна входах элемента 15 совпадения на его выходе образуется импульс и IS, поступающий на бдин из входов триггера 19 с раздельным запуском. При этом триггер 19 с раздельным запуском находится в одном из двух устойчивых состояний, при котором его выходное напряжение Утр равно нулю, следовательно, равно нулю и напряжение Ujo (фиг. 2) на емкости интегрирующей RC-цепи 20 (фиг. 1). В этом случае будет отсутствовать напряжение, подаваемое с выхода интегрирующей RC-цепи 20 на один из входов суммирующего элемента 8. Дальнейщее увеличение тока инвертора будет совпровождаться увеличением угла коммутации. Когда длительность импульсов Uy с выхода измерителя 3 коммутаций станет больще длительности импульсов выхода одновибратора 13 (см. фиг. 3), прекращают формироваться импульсы U 15- на выходе элемента 15 совпадения, так как в этом случае не будут совпадать во времени импульсы Uv. и , поступающие на его входы с выхода дифференцирующей RC-цепи 18 и с выхода одновибратора 13 соответственно. Одновременно с этим начинают формироваться импульсы и 17 на выходе элемента 17 совпадёния,Гтак как вэтом случае будут совпадать во времени импульсы Uy и ий , поступающие на его входы с выхода дифференцирующей RC-цепи 18 и с выхода элемента Г4 сОвпадения соответственно. Под действием импульсов Uiv, поступающих с .выхода элемента 17 совпадения на один из входов триггера 19 с раздельным запуском, триггер 19 опрокидывается в такое устойчивое состояние, при котором на его выходе формируется сигнал Urp, кЬт6р1ый подается на вход интегрирующей RC-цепи 20. На емкости интегрирующей RC-цепи 20 в этом случае формируется линейно нарастающее с заданной интенсивностью напряжение и 20 (см. фиг. 3), которое через резистор 21 поддается на один из входов суммирующего элемента 8, а следовательно, и на вход фазосдвигающего элемента 9. Под действием напряжения UaoHScootветствии с интенсивностью его изменения начинает изменяться величина угла зажигания J тиристоров инвертора, что сопровождается уменьщением фактического угла запаса Зфтиристоров инвертора (см. фиг. 3). Фактический угол запаса будет уменьщаться до тех пор; пока он не станет равным заданному углу запаса 5j (см. фиг. 4), формируемому генератором 1 прямоугольных импульсов, который выполняет функции задатчика угла запаса тиристоров инвертора 12. При бэ (фиг. 4) на входах элемента 2 совпадения будут совпадать во времени импульсы U с выхода генератора 1 прямоугольных импульсов и импульсы и с выхода измерителя 3 угла коммутации, а на выходе элемента 2 совпадения будут формироваться импульсы Uj. Импульсы Ug с выхода элемента 2 совпадения через параллельно соединенные резистор 4 и диод 5 подаются на вход интегрирующего усилителя 6, преобразующего эти импульсы в напряжение Ug. Напряжение Ue снимаемое с выхода интегрирующего усилителя 6, через резистор 7 подается на один из входов суммирующего элемента 8, где оно вычитается из напряжения и 20, которое снимается с емкости интегрирующей RC-цепи 20 и подается через резистор 21 на второй вход суммирующего элемента 8. При этом на выходе суммирующего элемента 8 получают разностное напряжение ди, которое поступает на вход фазосдвигающего элемента 9. Так как постоянная времени интегрирующего усилителя 6 на один-два порядка меньще постоянной времени интегрирующей RC-цепи 20, то под воздействием разностного напряжения фазосдвигающий элемент 9 начинает изменять величину угла зажигания тиристоров инвертора 12 так, что дальнейщее уменьщение фактического угла запаса тиристоров инвертора прекращается и инвертор 12 начинает работать с постоянным углом запаса, равным заданному значению угла запаса 8з, формируемому генератором прямоугольных импульсов 1. При прекращении режима торможения в момент времени, когда инвертируемый инвертором 12 ток уменьщается до значения, при котором длительность импульса выхода измерителя 3 угла коммутации вновь станет меньше длительности импульса UOOHC выхода одновибратора 13, импульс на выходе элемента 17 совпадения исчезает и появляется импульс U 15 на выходе элемента 15 совпадения. Импульсом Uis триггер 19 с раздельным запуском переводится в такое устойчивое состояние, при котором его выходное напряжение Urf. равно нулю. При этом напряжение Ujo на емкости интегрирующей RC-цепи 20 начинает уменьшаться до нуля, на входах элемента 2 совпадения перестают совпадать во времени импульсы U(J с вахода генератора 1 прямоугольных импульсов и импульсы U)f с выхода измерителя 3 угла коммутации, а устройство возвращается в исходное состояние. Новый вход в режим инвертирования происходит аналогично онисанному. В режиме инвертирования тяговый двигатель 22 работает в режиме генератора постоянного тока с независимым возбуждением и вырабатываемая им электрическая энергия постоянного тока, преобразуемая инвертором 12 в энергию переменного тока через силовой трансформатор 23 поступает в питающую (контактную) сеть. При этом электровоз из потребителя Электрической энергии превращается в ее источник. Эффективность устройства заключается в следующем: повышается устойчивость инвертора, т. е. предотвращается возможность его опрокидывания в Момент начала входа в режим рекуперативного торможения (инвертирования) за счет того, что вход в режим инвертирования осуществляется не с постоянным углом запаса, а с постоянным углом зажигания тиристоров инвертора, что исключает в регулируемой системе положительную обратную связь по току инвертора и обуславливает отрицательную обратную связь, благодаря чему существенно снижается скорость нарастания. инвертируемого (тормозного) тока; сжатие состава (поезда) при торможеНИИ осуществляется с постоянным усилием за счет того, что после нарастания тока инвертора до определенной величины угол зажигания тиристоров начинает увеличиваться до тех пор, пока фактический угол запаса не станет равным заданному значению этого угла и дальнейшая работа инвертора происходит при неизменном угле запаса, обеспечивая тем самым высокие энергетические показатели электровоза, а начиная с момента увеличения угла зажигания тиристоров инвертора скорость нарастания инвертируемого тока еще больше снижается и при определенных условиях изменения угла за. жигания тиристоров инвертируемый (тормозной) ток может стабилизироваться на определенном уровне; сокращается время, необходимое для достижения заданного тормозного усилия за счет того, что после сжатия состава начиная с момента, когда инвертор переходит к работе при неизменном угле запаса, скорость, нарастания инвертируемого (тормозного) тока увеличивается до определенного значения. Перечисленные достоинства данного устройства способствуют повышению безопасности движения поездов. Формула изобретения Устройство для управления тиристорным инвертором, содержащее элемент совпадения, к одному из входов которого подключен измеритель угла коммутации, интегрирующий усилитель и узел управления инвертором, состоящий из фазосдвигающего элемента, выход которого через распределитель импульсов соединен с блоком выходных усилителей, отличающееся тем, что, с целью повышения устойчивости инвертора, предотвращающей его опрокидывалие, и уменьшения скорости нарастания иНвертируёмото тока в момент входа в режим рекуперативного торможения путем исключения положительной обратной связи по току инвертора и регулирования угла зажигания тиристоров инвертора по определенной программе, а также повышения плавности торможения и безопасности движения поездов, устройство снабжено генератором прямоугольных импульсов, диодом, тремя резисторами, суммирующим элементом, элементом НЕ, тремя дополнительными элементами совпадения, триггером с раздельным запуском, дифференцирующей и интегрирующей RC-цепями, так, что выход генератора прямоугольных импульсов подсоединен к одному из входов основного элемента совпадения, Меж.ду выходом которого и входом интегрирующего усилителя включены параллельно соединенные резистор и диод, а между выходом интегрирующего усилителя и входом фазосдвигающего элемента включены последовательно соединенные резистор и суммирующий элемент, выход фазосдвигающего элемента соединен с входом одновибратора и с одним из входов первого дополнительного элемента совпадения, ко второму входу которого через элемент логического- отрицания НЕ подсоединен выход одновибратора, выход первого дополнительного элемента совпадения подсоединен к одному из входов второго дополнительного элемента совпадения, а выход одновибратора подсоединен к одному из входов третьего дополнительного элемента совпадения, второй и третий дополнительные элементы совпадения вторыми входами подсоединены через дифференцирующую RC-цепь к выходу измерителя угла коммутации, а выходы двух последних элементов совпадения подсоединены к соответствующим входам триггера с раздельным запуском, выход которого через интегрирующую RC-цепь и резистор подсоединен ко второму входу суммирующего элемента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 296201, кл. Н 02 М 5/42, 1964. 2.Аракчеев В. В. Применение тиристорных преобразователей частоты для автоматизации технологических процессов магнитного формирования и сквозного нагрева металлов. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. М., 1971, с. 137, рис. 5.15.

(р зад consi