Способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава переменного тока Советский патент 1982 года по МПК B60L9/12 H02P13/18 

1

Изобретение относится к способам управления прессами преобразования энергии посредством импульсных устройств, преимущественно в режимах тяги и рекуперативного торможения электроподвижного состава переменного тока.

Известен способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава (ЭПС) переменного тока, содержащего однофазные вентильные мосты, к каждому из которых подключена одинаковая по структуре нагрузка, заключающийся в том, что в каждом полупериоде питающего напряжения подают регулируемые по фазе управляющие импульсы на главные вентили преобразователя, а во второй половине данного полупериода - на гасящие вентили преобразователя 1.

Недостатком известного способа является необходимость разделения вентильного преобразователя ЭПС на две одинаковые по своей структуре части, например на два вентильных моста, питающих равные по величине нагрузки. В условиях эксплуатации такого ЭПС не исключена возможность вынужденных режимов его работы в аварийных ситуациях, например при повреждении

вентилей одного из мостов или одного из двигателей, в результате чего в преобразователе может оказаться нечетное число мостов или нагрузок. Это может привести к усилению колебаний переходного тока в конденсаторе и обмотке трансформатора и повыщенному искажению формы тока в тяговой сети, а следовательно, усилению мешающего воздействия тяговой сети на линии связи.

Цель изобретения - повыщение надежно ности работы электроподвижного состава.

Поставленная цель достигается тем, что непрерывно измеряют длительность полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе и подают регулируемые по фазе управляющие импульсы поочередно на главные вентили мостов с интервалом между импульсами, подаваемыми на первый и второй мосты, и импульсами, подаваемыми на предпоследний и последний мосты, равным 2/3 длительности полупериода собственных коле2Q баний тока в конденсаторе и между импульсами, подаваемыми на промежуточные мосты, равным 1/3 длительности полупериода указанной частоты, а подачу регулируемых по фазе управляющих импульсов во второй половине полупериода питающего напряжения осуществляют также поочередно на гасящие вентили каждого из мостов с интервалом между импульсами, подаваемыми на гасящие вентили первого и второго моста и на вентили предпоследнего и последнего, равным 2/3 длительности полупериода частоты собственных колебаний тока в конденсаторе и между импульсами, подаваемыми на гасящие вентили промежуточных мостов, равными 1/3 длительности полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе. На фиг. 1 показана упрощенная силовая схема электроподвижного состава переменного тока; на фиг. 2 - временные диаграммы .напряжений и токов, а также диаграмма управления вентилями преобразователя в процессе регулирования скорости электроподвижного состава. Упрощенная силовая схема электроподвижного состава переменного тока содержит питающий однофазный трансформатор 1, ко вторичной обмотке которого параллельно подключен конденсатор 2 и несколько (в данном примере три) полууправляемых несимметричных вентильных мостов 3, 4 и 5, содержащих полностью управляемые плечи 6-11, выполненные по любой известной схеме, неуправляемые плечи 12-17, Мосты 3- 5 нагружены на цепи, содержащие тяговые электродвигатели 18-20 и сглаживающие реакторы (не указаны). Предлагаемый способ управления может быть реализован при различных схемах вентильных мостов, например в .полууправляемых несимметричных и симметричных, в полностью управляемых. Запирающие (гасящие) устройства в тех и других схемах могут быть индивидуальными или общими для нескольких плеч моста. При этом в схемах полностью управляемых мостов импульсные клю чи могут быть установлены в любых двух противофазных плечах моста, а два других плеча могут быть выполнены на неуправляемых вентилях, если предусматривается только режим выпрямления, или на управляемых, если предусматривается также и режим инвертирования. Технологические операции при управлении и регулировании по предлагаемому способу описаны ниже применительно к схеме вентильного преобразователя, показанного на фиг. 1. Процессы в силовой схеме рассмотрены в режиме выпрямления при допущении, что выпрямленный ток в цепи каждого моста идеально сглажен и равен 1/3 части от общего выпрямленного тока Id преобразователя (или в общем случае при п мостах) равен 1/п Id, а принужденный емкостной ток в конденсаторе 2 и вторичной обмотке трансформатора 1, составляющей обычно незначительную часть от тока Id, равен нулю. Подачу первоначальных управляющих импульсов на главные вентили плеча одного из мостов производят в начале полупериода питающего напряжения или с задержкой на регулируемый угол (фиг. 2) при регулировании выходного напряжения преобразователя. До момента подачи первоначальных импульсов управления t, (где моменты подачи импульсов на вентили, фиг. 2), в течение угла фазового регулирования о(. токи тяговых двигателей, поддерживаемые ЭДС самоиндукции сглаживающих реакторов и равные поУзИ, замыкаются через плечи 12-17 соответствующих мостов 3, 4 и 5 преобразователя. В момент t подают управляющие импульсы на главные вентили управляемого плеча (в соответствии с полярностью питающего напряжения) одного из мостов преобразователя, например плеча 6 моста 3. При этом, посколькутрансформатор обладает индуктивным сопротивлением, выпрямленный ток двигателей 18, равный 1/3 Id, замыкается через конденсатор 2 и начинается его разряд. По мере разряда конденсатора 2 ток i. в трансформаторе 1 нарастает. К моменту времени, отстоящему от момента на интервал равный по длительности двум третьим частям полупериода частоты колебаний переходного тока в конденсаторе 2, ток i,. достигает половины тока Id, а ток IT конденсатора приобретает зарядное для конденсатора направление и достигает в этом направлении величины 1/6 Id. В этот момент,t2 подают управляющие импульсы на главные вентили полностью управляемого плеча другого (любого) моста, например плеча 9 моста 4, и выпрямленный ток 1/3 Id двигателей 19 устремляется во вторичную обмотку трансформатора 1 и конденсатор 2, разряжая при этом конденсатор 2 и плавно увеличивая ток в трансформаторе 1. Через цикл времени, равный по длительности указанному ранее интервалу между моментами t и t2, ток i.j. во вторичной обмотке трансформатора 1 достигает величины 1{(, т.е. полного тока нагрузки преобразователя, ток конденсатора 2 достигает значения 1/3 Id, а напряжение Uc на конденсаторе нарастает до мгновенного значения питающего напряжения. В этот момент tj подают управляющие импульсы на главные вентили следующего моста, например плеча 10 моста 5, в результате чего ток двигателей 20, равный также 1/3 Id, замыкается через вторичную обмотку трансформатора 1, а ток if. в конденсаторе 2 скачком падает до нуля. Далее во второй части Данного полупериода питающего напряжения уменьшение тока трансформатора 1 до нуля еще в пределах данного полупериода питающего напряжения производят поочередны.м гащением главных, вентилей в управляемых плечах мостов преобразователя. Так, например, в регулируемый по фазе момент вре.мени t4 подают первоначально управляющие импульсы на гасящие вентили плеча 6 моста 3 и в результате запирания главных вентилей этого плеча и анйлогичного описанному выше электромагнитного процесса переключают ток двигателей 18 в цепь вентильных плеч 12 и 13 этого моста. Затем (также поочередно) черезодинаковые циклы времени, равные по длительности двум третьим частям полупериода частоты колебаний тока в конденсаторе соответственно (в моменты tr и if, подают управляющие импульсы на гасящие вентили управляемых плеч других мостов, например плеча 8 моста 4, переключая тем самым ток двигателей 19 в плечи 14 и 15 этого моста, а потом плеча 10 моста 5, переключая ток двигателей 20 в плечи 16 и 17 этого моста. В результате такого поочередного равноциклического управления процессом коммутации ток в трансформаторе 1 спадает до нуля еще до перехода кривой питающего напряжения через нуль,-а в течение угла регулирования в следующем полупериоде изменения питающего напряжения этот ток остается равным нулю. Далее описанную последовательность технологических операций повторяют для противофазных плеч в мостах преобразователя, добиваясь поочередным отпиранием управляемых плеч 7, 9 и 11 в моменты tj, tg и1д плавного нарастания тока в трансформаторе, а поочередным гашением вентилей в этих плечах в моменты t|o, tn, to плавного спада этого тока в пределах уже этого полупериода питающего напряжения. Причем для цепей равномерного распределения выпря.мленного тока между отдельными цепями двигателей очередность работы мостов в разных полупериодах питающего напряжения может быть произвольно изменена как при управлении процессом нарастания тока в начале каждого полупериода, так и процессом гашения тока в конце каждого полупериода питающего напряжения. В рассмотренном примере схемы преобразователь разделен на три отдельных моста. В этом случае общая длительность коммутации тока в трансформаторе как в процессе нарастания, так и в процессе гашения составляет каждый раз по два одинаковых и равных интервала, заключенных между моментами подачи управляющих импульсовVti tj-t2 tj-t te-tj ВЕ/ЗК, где TL - полупериод изменения питающего напряжения; к-отнопЗение частоты собственных колебаний тока конденсатора к частоте питающей сети. Общая длительность коммутации при нарастании тока 6 (.) + (tj-tj (2/3+2/3) д/к 451/Зк,, а при гашении тока б (tj-t) + (te-ts) (2/3+2/3)5t/K- 4ir/K Как видно из диаграммы .(фиг. 2), в случае рассмотренного примера при трех мостах кривая тока i трансформатора состоит из двух частей полусинусоид переходных колебательных токов конденсатора, сдвинутых между собой на Я/Зк и сопряженных между собой в точке 2 Х/Зк. Исследования показали, что наиболее эффективным является сопряжение кривых в моменты изменения полусинусоид, соответствующие точкам 2Л/Зк и первой л/Зк каждой из последующих кривых. При отпирании и гащении вентилей в плечах мостов в эти моменты достигается наиболее плавная форма первичного тока и особенно при большом количестве мостов в преобразователе. В общем случае, когда преобразователь содержит п мостов, ко.ммутация растягивается на (п- 1) интервалов, а ее длительность определяется зависимостью О т , где п Из пр.иведенного выражения видно, что если при двух мостах (п 2) коммутация осуществляется за один цикл длительностью jt/K, т.е. равной одному полупериоду частоты колебаний тока в кнденсаторе, то уже при трех мостах за два цикла, т.е. б (2/3-Н2/3)5/к - 4ii/3K, при четырех - за три цикла, т.е. 5 (2/3+ 1/3+2/3) л/к БХ/Зк, при пяти - за четыре цикла, т.е. б (2/3+ 1/3+1/3+2/3) л/к 2%1к и т.д. В общем случае при мостах будет (п-I) циклов, из которых первый и последний одинаковы и равны каждый по 25/Зк, а все промежуточные между первым и последним также одинаковы между собой и равны каждой по к/Зк. Такая равноциклическая коммутация позволяет наряду с улучшением формы тока тяговой сети уменьщить величину емкости конденсатора по сравнению с одноцикловой, которая достигается в схемах преобразователей, разделенных на две части. Так, например, если в схеме преобразователя с одноцикловой коммутацией, т.е. при п 2, требуется емкость С, то при трех мостах (п 3) для обеспечения той же длительности коммутации требуется уже в 1.77 раза меньше, а при пяти мостах в 4 раза меньше. Кроме обеспечения работы вентильных преобразователей в нормальных режимах эксплуатации ЭПС переменного тока, предлагаемый способ равноциклической коммутации может быть использован в случае частичного повреждения электрооборудования ЭПС (неисправности отдельных тяговых электродвигателей или мостов преобразователя). Например, на электфовозе, преобразователь которого состоит из четырех мостов, предлагаемый способ позволяет обеспечить или как два одинаковых преобразователя (по два моста в каждом) с одноцикловой коммутацией, или как единый преобразователь с равноциклической поочередной коммутацией четырех мостов, а при неисправности одного из двигателей или одного моста возможна работа трех мостов и групп двигателей при равноцикловой коммутации. При этом циклический способ yпpaвJ eния обеспечивает более плавные процессы нарастания и гашения тока в трансформаторе, что улучшает форму тока в тяговой сети, а еледовательно, уменьшает ее мешающее воздействие на линии связи. В СВЯЗИ с многоцикличностью процессов коммутации повышается рабочая частота конденсатора, что позволяет уменьшить его весовые и габаритные показатели, а возможность обеспечения работы ЭПС при частичном повреждении электрооборудования позволяет повысить надежность аботь ЭПС и тяговой сети в вынужденных режимах эксплуатации. Формула изобретения Способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава переменного тока, содержащего однофазные вентильные мосты, к каждому из которых подключена одинаковая по структуре нагрузка, заключающийся в том, что в каждом полупериоде питающего напряжения подают регулируемые по фазе управляющие импульсы на главные вентили преобразователя, а во второй половине данного полупериода - на гасящие вентили преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, непрерывно измеряют длительность полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе и подают регулируемые по фазе управляющие импульсы поочередно на главные вентили мостов с интерработу электровоза в нормальных режимах валом между импульсами, подаваемыми на первый и второй мосты, и импульсами, подаваемыми на предпоследний и последний мосты, равными 2/3 длительности полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе, и между импульсами, подаваемыми на промежуточные мосты, равным 1/3 длительности полупериода указанной частоты, а подачу регулируемых по фазе управляющих импульсов во второй половине полупериода питающего напряжения осуществляют также поочередно на гасящие вентили каждого из мостов с интервалом между импульсами, подаваемыми на гасящие вентили первого и второго моста и на вентили предпоследнего и последнего, равным 2/3 длительности полупериода частоты собственных колебаний тока в конденсаторе, и между импульсами, подаваемыми на гасящие вентили промежуточных мостов, - равными 1/3 длительности полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе. Источники информаци :, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 515674, кл. В 60 L 9/12, 1974.