СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОЗОННЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
CONTROL METHOD OF MULTI-ZONE RECTIFIER-INVERTER CONVERTER OF SINGLE-PHASE ALTERNATING CURRENT

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем на электроподвижном составе (электровозах и электропоездах), получающем питание от контактной сети однофазного переменного тока.
Эксплуатация многозонных выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИЛ) на электровозах переменного тока, построенных на управляемых вентилях - тиристорах, сопровождается низким энергетическим показателем - коэффициентом мощности в режимах тяги при выпрямлении переменного тока сети в постоянный ток двигателя и рекуперативного торможения при инвертировании постоянного тока генератора в переменный ток сети. Снижение коэффициента мощности электровоза происходит за счет достаточно большого угла сдвига фаз ϕ между первой гармоникой тока и напряжения в первичной обмотке трансформатора. Это вызывает значительное потребление электровозом реактивной и снижение использования активной составляющих энергии сети.
Для повышения коэффициента мощности в силовую схему ВИЛ, а именно к его выходным выводам (к катодной и анодной шинам) подключают силовой неуправляемый вентиль - диод, с помощью которого уменьшается реактивная и увеличивается активная составляющие полной энергии переменного тока, потребляемой из сети двигателями постоянного тока в режиме тяги электровоза при выпрямлении переменного тока в постоянный и возвращаемой в сеть генераторами постоянного тока в режиме рекуперативного торможения электровоза при инвертировании постоянного тока в переменный. С целью исключения образования короткого замыкания (чего нельзя допустить) при подключении диода к шинам преобразователя диод в режиме выпрямителя надо подключить катодом к катодной и анодом к анодной шинам, а в режиме инвертора, наоборот, катодом к анодной и анодом к катодной шинам. В этом случае между катодной и анодной шинами надо подключать избирательно два диода - один для режима выпрямителя, а другой для режима инвертора, причем при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот потребуется один из диодов выключать, что потребует в каждой цепи диода иметь выключающее устройство. Если подключение диода в режиме инвертора сделать таким же, как и в режиме выпрямителя, то это потребует последовательного подключения к диоду одного контактного или бесконтактного устройства, способного как включать, так и выключать диод в нужные моменты времени на интервалах полупериодов переменного напряжения сети в режимах работы как выпрямителя, так и инвертора.
Известны различные способы включения диода между катодной и анодной шинами ВИЛ при его работе в режимах выпрямителя и инвертора с целью повышения их коэффициентов мощности, а также различные способы выключения диода при переводе преобразователя из режима выпрямителя в режим инвертора и наоборот. Одним из таких способов включения и выключения диода является последовательное подключение к диоду управляемого полупроводникового прибора - транзистора, который своим открытием включает диод и закрытием отключает.
Известен способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока [Патент на изобретение №2322749. Заявка №2006140957/09 от 20.11.2006, опубликовано: 20.04.2008, Бюл. №11], содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов. Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя на всех зонах регулирования и в переводе накопленной в индуктивности цепи выпрямленного тока электромагнитной энергии в нагрузку путем шунтирования цепи выпрямленного тока неуправляемым вентилем - диодом, катод которого присоединен к катодной, а анод к анодной шинам выпрямителя. Благодаря диоду уменьшается реактивная и увеличивается активная составляющие полной энергии переменного тока, потребляемой двигателями из сети при выпрямлении переменного тока в режиме тяги, что повышает коэффициент мощности выпрямителя, а значит, и электровоза. Отключение диода от анодной шины при прекращении режима выпрямления производится с помощью силового контакта тормозного переключателя. Достоинством данного способа управления многозонным выпрямителем является повышение коэффициента мощности электровоза на всех четырех зонах регулирования напряжения за счет перевода накопленной в индуктивности цепи выпрямленного тока электромагнитной энергии в нагрузку путем шунтирования цепи выпрямленного тока неуправляемым вентилем - диодом. Недостатком данного способа управления многозонным выпрямителем является то, что отключение диода от анодной шины при прекращении режима выпрямления производится с помощью механического силового контакта тормозного переключателя, снижающего надежность работы выпрямителя.
Известен зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока [Патент на изобретение №2561068. Заявка №2014119292/07 от 13.05.2014, опубликовано: 20.08.2015, Бюл. №23], содержащий четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока инвертора неуправляемым вентилем - диодом, катод которого присоединен к анодной, а анод к катодной шинам инвертора. Включение диода позволяет уменьшить угол запаса δ инвертора, обусловленный уменьшением угла коммутации γ инвертора, что уменьшает угол сдвига фаз ϕ. Уменьшение угла ϕ снижает реактивную и повышает активную составляющие полной энергии переменного тока, возвращаемой генераторами в сеть при инвертировании постоянного тока в переменный при рекуперативном торможении, что приводит к повышению коэффициента мощности инвертора. Отключение диода от анодной шины при прекращении режима инвертирования производится с помощью силового контакта тормозного переключателя. Достоинством такого зависимого многозонного инвертора является повышение его коэффициента мощности на всех четырех зонах регулирования напряжения при сохранении регулирования напряжения на этих зонах в широком диапазоне. Недостаток такого зависимого многозонного инвертора заключается в том, что даже при увеличенном коэффициенте мощности на всех зонах регулирования отключение диода от анодной шины при прекращении режима инвертирования производится с помощью силового контакта тормозного переключателя, снижающего надежность работы инвертора.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока [Патент на изобретение №2561913. Заявка №2014115762/07 от 18.04.2014, опубликовано: 10.09.2015, Бюл. №25] с высоким коэффициентом мощности на всех зонах регулирования, в котором осуществляется шунтирование цепи выпрямленного тока преобразователя двумя цепочками, каждая из которых выполнена из последовательно соединенных силовых неуправляемого вентиля - диода и управляемого вентиля - тиристора и подключена между катодной и анодной шинами. В первой цепочке катод диода подключают к катодной шине, а анод тиристора к анодной шине преобразователя. Во второй цепочке катод диода подключают к анодной шине, а анод тиристора к катодной шине преобразователя. Бесконтактное отключение диода каждой цепочки при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот производится с помощью управляемого вентиля - тиристора, который своим запертым состоянием отключает соответствующую цепочку. Достоинством данного способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем является повышение коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора на всех четырех зонах регулирования напряжения за счет шунтирования цепи выпрямленного тока одной из двух (первой или второй) цепочек и бесконтактное отключение каждой из них с помощью тиристора от анодной или катодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в режим инвертора и наоборот, что повышает надежность работы преобразователя по сравнению с предыдущими контактными схемами перехода. Недостатком данного способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем является то, что для каждого режима работы преобразователя нужна своя отдельная цепочка из последовательно соединенных диода и тиристора, шунтирующая цепь выпрямленного тока и присоединенная к катодной и анодной шинам преобразователя, т.е. необходимо иметь две цепочки согласно двум режимам работы преобразователя. В режиме выпрямителя работает только первая цепочка и не работает вторая, причем первая цепочка присоединена катодом диода к катодной и анодом тиристора к анодной шинам преобразователя, а в режиме инвертора работает только вторая цепочка и не работает первая, причем вторая цепочка присоединена анодом диода к катодной и катодом тиристора к анодной шинам преобразователя. Кроме того, в каждой цепочке находится управляемый вентиль - тиристор, который включается на период работы преобразователя в режиме выпрямителя или инвертора и выключается при окончании работы преобразователя в одном из этих режимов. Таким образом, тиристор выступает только в роли бесконтактного ключа на время работы преобразователя, но не выполняет роли регулятора, способного влиять на величину коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя или инвертора.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока с высоким коэффициентом мощности и высокой надежностью работы преобразователя на всех зонах регулирования выпрямленного напряжения в режимах выпрямителя и инвертора, в которых осуществляется шунтирование цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора (или другого полностью управляемого электронного ключа) и присоединенной катодом диода к катодной, а коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя, а также управление включением и выключением транзистора в необходимые моменты времени на интервале каждого полупериода напряжения сети.
рег
рег
Для решения поставленной задачи в известном способе управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока, содержащем несколько зон на основе параллельных тиристорных мостов, заключающемся в регулировании выпрямленного напряжения преобразователя на всех зонах в режимах выпрямителя и инвертора и шунтировании цепи выпрямленного тока преобразователя одной из двух цепочек, состоящих из последовательно включенных силовых диода и тиристора, и бесконтактном отключении каждой из них с помощью своего тиристора от анодной или катодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот, увеличение коэффициента мощности и повышение надежности работы преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании их выпрямленного напряжения осуществляют путем шунтирования цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной и коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя, и управления включением транзистора с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в режиме выпрямителя в момент времени ωt=0 в первом полупериоде напряжения сети, ωt=π во втором полупериоде напряжения сети и т.д., а в режиме инвертора в моменты времени соответственно ωt=π-20° в первом полупериоде, ωt=2π-20° во втором полупериоде напряжения и выключением транзистора с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на первой зоне регулирования в моменты времени ωt=α в первом полупериоде, ωt=π+α во втором полупериоде напряжения и на остальных зонах выше первой в моменты времени ωt=10° в первом полупериоде, ωt=π+10° во втором полупериоде напряжения, а в режиме инвертора на всех зонах в моменты времени ωt=π в первом полупериоде, ωt=2π во втором полупериоде напряжения.
рег
Шунтирование в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной и коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя, и управление в каждом полупериоде напряжения сети включением транзистора с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в режиме выпрямителя в моменты времени ωt=0, ωt=π, а в режиме инвертора в моменты времени ωt=π-20°, ωt=2π-20° и выключением транзистора с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на первой зоне регулирования в моменты времени ωt=αper, ωt=π+α и на остальных зонах выше первой в моменты времени ωt=10°, ωt=π+10°, а в режиме инвертора на всех зонах в моменты времени ωt=π, ωt=π, отличают заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
рег
рег
Благодаря шунтированию в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной и коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя, и управлению в каждом полупериоде напряжения сети включением транзистора с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в режиме выпрямителя в моменты времени ωt=0, ωt=π, а в режиме инвертора в моменты времени ωt=π-20°, ωt=2π-20°, и выключением транзистора с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на первой зоне регулирования в моменты времени ωt=α, ωt=π+α и на остальных зонах выше первой в моменты времени ωt=10°, ωt=π+10°, а в режиме инвертора на всех зонах в моменты времени ωt=π, ωt=2π, осуществляется увеличение коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования и повышение надежности его работы.
рег
рег
рег
рег
Это обусловлено следующим. Шунтирование цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной и коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя, и управление в каждом полупериоде напряжения сети включением транзистора с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в режиме выпрямителя в моменты времени ωt=0, ωt=π, а в режиме инвертора в моменты времени ωt=π-20°, ωt=2π-20° и выключением транзистора с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на первой зоне регулирования в моменты времени ωt=α, ωt=π+α и на остальных зонах выше первой в моменты времени ωt=10°, ωt=π+10°, а в режиме инвертора на всех зонах в моменты времени ωt=π, ωt=2π, приводит к уменьшению угла ф, что уменьшает реактивную и увеличивает активную составляющие полной энергии переменного тока. В результате это ведет к увеличению коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования. Последовательное подключение к диоду транзистора, который своим выключением с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на первой зоне регулирования в моменты времени ωt=α, ωt=π+α и на остальных зонах выше первой в моменты времени ωt=10°, ωt=π+10°, а в режиме инвертора на всех зонах в моменты времени ωt=π, ωt=2π, бесконтактно отключает цепочку от анодной шины преобразователя, что повышает его надежность работы.
рег
рег
Причинно-следственная связь «шунтирование в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной и коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя - управление в каждом полупериоде напряжения сети включением транзистора с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в режиме выпрямителя в моменты времени ωt=0, ωt=π, а в режиме инвертора в моменты времени ωt=π-20°, ωt=2π-20° и выключением транзистора с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на первой зоне регулирования в моменты времени ωt=α, ωt=π+α и на остальных зонах выше первой в моменты времени ωt=10°, ωt=π+10°, а в режиме инвертора на всех зонах в моменты времени ωt=π, ωt=2π - уменьшение угла сдвига фаз ср -уменьшение реактивной и увеличение активной составляющих полной энергии переменного тока - увеличение коэффициента мощности на всех зонах регулирования», а также «последовательное подключение к диоду транзистора, который своим выключением бесконтактно отключает цепочку от анодной шины преобразователя - повышение надежности работы преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора» явно не вытекает из существующего уровня техники и является новой.
Наличие новых причинно-следственных связей «существенные отличительные признаки - результат» свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя по заявляемому способу управления.
На фиг. 2 показаны процессы работы на первой и четвертой зонах регулирования четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме выпрямителя по заявляемому способу управления.
На фиг. 3 показаны процессы работы на первой и четвертой зонах регулирования четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме инвертора по заявляемому способу управления.
Заявляемый способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока осуществляется, например, в устройстве, содержащем однофазный трансформатор, четырехзонный выпрямительно-инверторный преобразователь на основе параллельных тиристорных мостов, цепочку из диода и транзистора, цепь выпрямленного тока преобразователя (потребитель тока в режиме выпрямителя или источник напряжения в режиме инвертора).
Однофазный трансформатор имеет первичную обмотку 1, подключенную к источнику 2 питающего напряжения сети, и вторичную обмотку, выполненную в виде трех последовательно соединенных секций 3, 4, 5 с выводами 6, 7, 8, 9 от каждой из них. Первые две малые секции 3 и 4 имеют равное количество витков, а третья большая секция 5 имеет в два раза большее количество витков по сравнению с ними, т.е. равна сумме первых двух секций 3 и 4.
Четырехзонный выпрямительно-инверторный преобразователь выполнен из параллельных тиристорных мостов, состоящих из нескольких цепочек тиристорных плеч. Каждая цепочка содержит пару 10-11, 12-13, 14-15 и 16-17 последовательно соединенных тиристорных плеч. Все четные 10, 12, 14 и 16 тиристорные плечи образуют катодную 18, а все нечетные 11, 13, 15 и 17 тиристорные плечи анодную 19 группы плеч преобразователя. Катоды всех тиристорных плеч катодной группы 18, соединенные в одну общую точку схемы, образуют катодную шину 20, а аноды всех тиристорных плеч анодной группы 19, соединенные в другую общую точку схемы, образуют анодную шину 21 преобразователя. Средние точки цепочек подключены к соответствующим выводам секций 3, 4, 5 вторичной обмотки трансформатора.
Неуправляемый вентиль - диод 22 и транзистор 23 образуют цепочку 24, в которой диод 22 и транзистор 23 последовательно соединены между собой, т.е. эмиттер транзистора 23 соединен с анодом диода 22. Катод диода 22 подключен к катодной 20, а коллектор транзистора 23 к анодной 21 шинам преобразователя.
Цепь 25 выпрямленного тока преобразователя включает в себя сглаживающий реактор 26 и электрическую машину 27 постоянного тока, включенные между собой последовательно. Цепь 25 подключена со стороны сглаживающего реактора 26 к катодной 20, а со стороны электрической машины 27 к анодной 21 шинам преобразователя.
рег
рег
Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем заключается в увеличении коэффициента мощности и повышении надежности работы преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании им выпрямленного напряжения путем шунтирования цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной и коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя, и управления в каждом полупериоде напряжения сети включением транзистора с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в режиме выпрямителя в моменты времени ωt=0, ωt=π, а в режиме инвертора в моменты времени ωt=π-20°, ωt=2π-20°, и выключением транзистора с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на первой зоне регулирования в моменты времени ωt=α, ωt=π+α и на остальных зонах выше первой в моменты времени ωt=10°, ωt=π+10°, а в режиме инвертора на всех зонах в моменты времени ωt=π, ωt=2π.
рег
рег
Так, на 1-й зоне увеличение коэффициента мощности и повышение надежности работы преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании его выпрямленного напряжения осуществляют путем шунтирования цепи 25 выпрямленного тока преобразователя цепочкой 24, состоящей из последовательно соединенных силовых диода 22 и транзистора 23 и присоединенной катодом диода 22 к катодной шине 20 и коллектором транзистора 23 к анодной шине 21 преобразователя, и управления в каждом полупериоде напряжения сети включением транзистора 23 путем подачи на его базу отпирающего сигнала управления в режиме выпрямителя с фазой α=0, α=π и в режиме инвертора с фазой β=π-20°, β=2π-20° и выключением транзистора 23 с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя в моменты времени ωt=α, ωt=π+α, а в режиме инвертора в моменты времени ωt=π, ωt=2π.
На 2, 3 и 4-й зонах регулирования в режиме выпрямителя увеличение коэффициента мощности и повышение надежности работы преобразователя при регулировании его выпрямленного напряжения осуществляют путем шунтирования цепи 25 выпрямленного тока преобразователя цепочкой 24, состоящей из последовательно соединенных силовых диода 22 и транзистора 23 и присоединенной катодом диода 22 к катодной шине 20 и коллектором транзистора 23 к анодной шине 21 преобразователя, и управления в каждом полупериоде напряжения сети включением транзистора с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в моменты времени ωt=0, ωt=π и выключением транзистора с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в ωt=10°, ωt=π+10°.
На 2, 3 и 4-й зонах регулирования в режиме инвертора увеличение коэффициента мощности и повышение надежности работы преобразователя при регулировании его выпрямленного напряжения осуществляют путем шунтирования цепи 25 выпрямленного тока преобразователя цепочкой 24, состоящей из последовательно соединенных силовых диода 22 и транзистора 23 и присоединенной катодом диода 22 к катодной шине 20 и коллектором транзистора 23 к анодной шине 21 преобразователя, и управления в каждом полупериоде напряжения сети включением транзистора 23 с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в моменты времени ωt=π-20°, ωt=2π-20° и выключением транзистора с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в моменты времени ωt=π, ωt=2π.
рег
Работа выпрямителя на 1-й зоне осуществляется путем подачи однофазного переменного напряжения от источника питания сети 2 на первичную обмотку 1 трансформатора. Далее секция 4 его вторичной обмотки подает напряжение на средние точки цепочек тиристорных плеч 12-13 и 14-15. Процесс регулирования выпрямленного напряжения выпрямителя на 1-й зоне начинается с конца первого и второго полупериодов, обозначенных на фиг. 1 соответственно сплошной и пунктирной стрелками, т.е. с момента времени ωt=π, ωt=2π, в которые начинают подаваться отпирающие сигналы управления с фазой α на управляющие электроды тиристоров плеч 12, 15 в первом полупериоде и 13, 14 во втором. В дальнейшем по мере перемещения фазы отпирающих импульсов указанных плеч от конца полупериода к его началу величина выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя (шины 20 и 21) регулируется путем увеличения от 0 до 270 В. Благодаря этому напряжению в двигатель поступает выпрямленный ток.
рег
рег
р
рег
p
рег
рег
р
На фиг. 2, а в качестве примера представлены процессы работы выпрямителя на 1-й зоне регулирования в момент времени ωt=90°, когда на тиристоры плеч 12, 15 в первом и 13, 14 во втором полупериодах подаются отпирающие импульсы с фазой α=90°. В каждом полупериоде напряжения сети выпрямленный ток выпрямителя поступает не только в двигатель для его преобразования в механическое вращение колесной пары электровоза, но и в индуктивность обмоток сглаживающего реактора и двигателя, в которых накапливается в виде электромагнитной энергии (реактивной энергии), поступившей из сети. В момент времени ωt=0, ωt=π подается отпирающий сигнал на базу транзистора 23, который открывается благодаря приложению к коллектору транзистора 23 в цепочке 24 положительного потенциала ЭДС самоиндукции, наведенной в индуктивности цепи 25 выпрямленного тока. В свою очередь открытие транзистора 23 и диода 22 заставляет коммутировать (закрывать) тиристоры плеч 13, 14 в полупериоде по сплошной стрелке и плеч 12, 15 в полупериоде по пунктирной стрелке. Когда транзистор 23 открывается, то через него происходит разряд электромагнитной энергии в двигатель, а не в сеть, как происходило бы, если бы отсутствовала цепочка 24. В результате через открытые транзистор 23 и диод 22 на интервале времени от ωt=0, ωt=π до ωt=α+γ, ωt=π+α+γ происходит перевод накопленной энергии в индуктивности цепи 25 выпрямленного тока в потребитель -электрическую машину 27, работающую двигателем при выпрямительном режиме преобразователя. Это приводит к снижению потребления сетью реактивной и увеличению потребления двигателем активной составляющей полной энергии переменного тока, а, следовательно, к уменьшению угла ср и повышению коэффициента мощности выпрямителя. Выпрямленное напряжение, полученное на шинах 20 и 21 благодаря открытию однофазных тиристоров плеч 12, 15 и 13, 14, является обратным (отрицательным) для цепочки 24 (диода 22 и транзистора 23), способным запереть цепочку 24 из диода 22 и транзистора 23. Несмотря на приложение к цепочке 24 обратного напряжения для надежного выключения транзистора 23 на его базу подают запирающий сигнал в моменты времени ωt=α, ωt=π+α, в результате чего транзистор 23 начнет закрываться (коммутировать) на интервале времени, равном углу γ регулируемой коммутации. Подобный процесс выпрямления на 1-й зоне происходит в каждом полупериоде напряжения сети.
рег
Работа выпрямителя на 2, 3 и 4-й зонах регулирования осуществляется путем подачи напряжения от источника 2 на первичную обмотку 1 трансформатора. Далее секции 3, 4 и 5 подают напряжение на средние точки цепочек тиристорных плеч 10-11, 12-13, 14-15, 16-17 (см. фиг. 1). Процесс регулирования выпрямленного напряжения выпрямителя на этих зонах происходит благодаря подаче в первом и втором полупериодах напряжения сети сигналов управления с фазой α=0, α=π на однофазные тиристоры, соответствующие этим полупериодам и номеру зоны двух плеч моста каждой предыдущей зоны (например, на 2-й зоне - плечи 12, 15 и 13, 14, на 3-й зоне - плечи 14, 17 и 15, 16, на 4-й зоне - плечи 12, 17 и 13, 16), а также сигналов управления с фазой α на тиристоры одного плеча другого моста, образующего последующую зону (на 2-й зоне - плечо 10 и 11, на 3-й зоне - плечо 12 и 13, на 4-й зоне - плечо 10 и 11). Несмотря на подачу сигналов управления с фазой α=0 (т.е. в момент времени ωt=0) однофазные тиристоры двух плеч моста каждой предыдущей зоны отпираются несколько позже по времени (примерно в момент времени ωt=3°), в силу того, что приложенное на аноды тиристоров напряжение секций вторичной обмотки трансформатора при ωt=0 равно нулю и только при ωt=3° достигнет необходимой величины, при которой тиристоры начнут открываться и начнется процесс регулирования выпрямленного напряжения выпрямителя.
р
рег
На фиг. 2, б представлены процессы работы выпрямителя на 4-й зоне. Открытие на 4-й зоне в первом и втором полу периодах напряжения тиристоров плеч 12, 17 и 13, 16, на которые подаются сигналы управления с фазой α=0, α=π, приводит к возникновению на шинах 20 и 21 (выходные выводы) выпрямителя выпрямленного напряжения, положительный потенциал которого находится на шине 20, а отрицательный на шине 21. Выпрямленное напряжение, полученное на шинах 20 и 21 является обратным (отрицательным) для цепочки 24 (диода 22 и транзистора 23), способным запереть цепочку 24 из диода 22 и транзистора 23. Несмотря на приложение к цепочке 24 обратного напряжения для надежного выключения транзистора 23 на его базу подают запирающий сигнал в моменты времени ωt=10°, ωt=π+10°, в результате чего транзистор 23 начнет закрываться (коммутировать) на интервале времени, равном углу γ регулируемой коммутации. Открытие диода 22 и транзистора 23 происходит благодаря подаче на коллектор транзистора 23 положительного потенциала ЭДС самоиндукции, наведенной в индуктивности цепи 25 выпрямленного тока, и подаче на базу транзистора 23 отпирающего сигнала управления с фазой α=0, π. В свою очередь открытие диода 22 и транзистора 23 заставляет коммутировать (закрываться) тиристоры плеч 11, 16 в первом полупериоде и плеч 10, 17 во втором полупериоде, которые были открыты ранее в предыдущем полупериоде напряжения благодаря подаче на них соответственно импульсов управления с фазой α и α=0. Через открытые диод 22 и транзистор 23 на интервале времени, равном углу γ, происходит перевод накопленной в индуктивности цепи 25 энергии выпрямленного тока в потребитель - электрическую машину 27, работающую двигателем при выпрямительном режиме преобразователя. Это приводит также, как и на 1-й зоне, к увеличению коэффициента мощности выпрямителя на 2, 3 и 4-й зонах выпрямителя. Последовательное подключение к диоду 22 транзистора 23, который своим выключением в каждом полупериоде бесконтактно отключает цепочку 24 от анодной шины 21 преобразователя, приводит к повышению надежности работы преобразователя в режиме выпрямителя на 2, 3 и 4-й зонах.
Работа инвертора на 1-й зоне осуществляется путем перевода цепи 25 выпрямленного тока преобразователя из режима потребителя (двигатель 27 постоянного тока с последовательным возбуждением и сглаживающий реактор 26) в режим источника напряжения постоянного тока (генератор 27 постоянного тока с независимым возбуждением, вращение якоря которого осуществляется через механический редуктор от вращения колесных пар электровоза, и сглаживающий реактор 26). Положительный потенциал «+» напряжения генератора 27 прикладывается к анодной шине 21, а его отрицательный потенциал «-» через сглаживающий реактор 26 прикладывается к катодной шине 20. От источника питания сети 2 на первичную обмотку 1 трансформатора подается однофазное переменное напряжение. Далее секция 4 его вторичной обмотки подает напряжение на средние точки цепочек тиристорных плеч 12-13 и 14-15 инвертора. Благодаря соответствующему управлению тиристорами указанных плеч на шинах 20 и 21 возникает выпрямленное напряжение с положительным потенциалом на шине 21 и отрицательным потенциалом на шине 20. В результате преобразователь приобретает режим работы однофазного зависимого от частоты напряжения сети (ведомого сетью) инвертора, в котором напряжение генератора по величине должно быть несколько больше выпрямленного напряжения инвертора. За счет этой разницы величин напряжений постоянный ток генератора 27 через тиристоры плеч 13, 14 в первом полупериоде и 12, 15 во втором полупериоде напряжения сети поступает в обмотку секции 4, а затем путем трансформации в первичную обмотку 1 трансформатора и далее в сеть. С помощью независимого возбуждения генератора такое условие всегда выполняется и через инвертор происходит преобразование (инвертирование) постоянного тока генератора в переменный ток сети.
рег
р
буф
Рассмотрим процесс регулирования выпрямленного напряжения инвертора на 1-й зоне (см. фиг. 3, а). В первом полупериоде напряжения сети, обозначенном на фиг. 1 сплошной стрелкой, происходит подача отпирающих сигналов управления с фазой β=0 на однофазные тиристоры плеч 13 и 14, на аноды которых поступает положительный потенциал «+» напряжения генератора 27. В результате открытия в первом полупериоде, соответствующем сплошной стрелке, плеч 13 и 14 возникает режим инвертирования по контуру тока: «+» генератора 27 - тиристорное плечо 13 - секция 4 - тиристорное плечо 14 - сглаживающий реактор 26 - «-» генератора 27. Далее в этом полупериоде подается отпирающий сигнал управления с фазой β на однофазное тиристорное плечо 15, которое своим открытием закрывает плечо 13, т.е. происходит процесс фазовой коммутации на интервале γ между плечами 15 (открывается) и 13 (закрывается). Благодаря открытию плеча 15 на интервале γ образуется буферный контур разряда электромагнитной энергии сглаживающего реактора 26 и генератора 27: «+» генератора 27 - плечо 15 - плечо 14 - сглаживающий реактор 26 - «-» генератора 27. Затем происходит подача отпирающего сигнала управления с фазой β=π-20° на базу транзистора 23. В результате открытия транзистора 23 и диода 22 через цепочку 24 возникает новая цепь разряда энергии сглаживающего реактора 26 и генератора 27, которая является параллельной цепи буферного контура, образованного ранее открытыми плечами 14 и 15. Через цепочку 24 начинает протекать значительный ток в силу малого сопротивления цепи, который увеличивает ток в генераторе 27. Включение цепочки 24 также приводит к закрытию плеч 14 и 15. Далее в момент времени ωt=π происходит подача запирающего сигнала на базу транзистора 23, в результате чего цепочка 24 выключается и через нее прекращается протекание тока. Выключение цепочки 24 создает потенциальные условия для включения тиристорных плеч 12 и 15. Для этого на плечи 12 и 15 подаются отпирающие сигналы управления с фазой β=π, в результате чего они открываются. С этого момента во втором полупериоде, соответствующем пунктирной стрелке, начинается второй цикл инвертирования постоянного тока генератора в переменный ток секции 4 трансформатора и далее в ток сети. Процессы работы инвертора в этом втором цикле подобны описанному выше с той лишь разницей, что процесс инвертирования происходит через плечи 12 и 15, а процесс протекания тока по буферному контуру происходит через плечи 12 и 13. Последовательное подключение к диоду 22 транзистора 23, который своим выключением в каждом полупериоде напряжения бесконтактно отключает цепочку 24 от анодной шины 21 преобразователя, приводит к повышению надежности работы преобразователя в режиме инвертора на 1-й зоне.
Работа инвертора на 2, 3 и 4-й зонах осуществляется путем перевода цепи 25 выпрямленного тока преобразователя из режима потребителя (двигатель 27 постоянного тока с последовательным возбуждением и сглаживающий реактор 26) в режим источника напряжения постоянного тока (генератор 27 постоянного тока с независимым возбуждением, вращение якоря которого осуществляется через механический редуктор от вращения колесных пар электровоза, и сглаживающий реактор 26). Положительный потенциал «+» напряжения генератора 27 прикладывается к анодной шине 21, а его отрицательный потенциал «-» через сглаживающий реактор 26 прикладывается к катодной шине 20. От источника питания сети 2 на первичную обмотку 1 трансформатора подается однофазное переменное напряжение. Далее секции 3, 4 и 5 вторичной обмотки трансформатора подают напряжение на средние точки цепочек тиристорных плеч 10-11, 12-13, 14-15, 16-17 инвертора. Благодаря соответствующему управлению тиристорами указанных плеч на шинах 21 и 20 возникает выпрямленное напряжение инвертора с положительным потенциалом на шине 21 и отрицательным потенциалом на шине 20. В результате инвертор приобретает режим работы однофазного зависимого от частоты напряжения сети (ведомого сетью) инвертора, в котором напряжение генератора по величине должно быть несколько больше выпрямленного напряжения инвертора. За счет этой разницы величин напряжений постоянный ток генератора 27 через тиристоры плеч инвертора поступает в обмотки секций вторичной обмотки, а затем путем трансформации в первичную обмотку 1 трансформатора и далее в сеть. С помощью независимого возбуждения генератора такое условие всегда выполняется и через инвертор происходит преобразование (инвертирование) постоянного тока генератора в переменный ток сети.
рег
рег.
рег
рег.
Рассмотрим процесс регулирования выпрямленного напряжения инвертора, например, на 4-й зоне (см. фиг. 3, б). В первом полупериоде напряжения по сплошной стрелке начинается первый цикл работы инвертора, заключающийся в том, в момент времени ωt=0 отпираются тиристоры плеч 11 и 16 путем подачи на них отпирающих сигналов управления с фазой β=0. В момент времени ωt=π-β открывается тиристор плеча 13 благодаря подачи на его управляющий электрод отпирающего сигнала с фазой β В результате открытия тиристора плеча 13 происходит закрытие (коммутация) тиристора плеча 11 и процесс инвертирования продолжается уже через тиристоры плеч 13 и 16. В момент времени ωt=π-20° транзистор 23 открывается под действием прямого напряжения генератора и подачи на его базу отпирающего сигнала управления с фазой β=π-20° и через цепочку 24 возникает новая цепь с малым сопротивлением (сумма прямых сопротивлений транзистора и диода), которая является параллельной цепи инвертора, состоящей из тиристоров плеч 13, 16 и обмоток секций 4, 5 трансформатора (эта цепь имеет значительно большее сопротивление). Через цепочку 24 начнет протекать значительно больший ток генератора в силу малого сопротивления цепи, чем через цепь инвертора. В тоже время ток в цепи тиристоров плеч 13, 16 и обмоток секций 4, 5 начнет резко снижаться в силу ее большого сопротивления, чем в цепи цепочки 24, что будет способствовать более быстрому закрытию тиристоров плеч 13, 16. Это позволяет устанавливать в инверторе малую величину опережающего угла β, который уменьшает величину угла ϕ, а значит, увеличивает величину коэффициента мощности инвертора. В момент времени ωt=π подается запирающий сигнал на базу транзистора 23. В результате диод 22 и транзистор 23, которые были открыты с момента времени ωt=π-20°, начинают закрываться. Также в момент времени ωt=π на тиристоры плеч 10 и 17 подаются отпирающие сигналы, в результате чего они открываются и во втором полупериоде начинает осуществляться новый цикл процесса инвертирования тока генератора в сеть через тиристоры плеч 10, 17 и обмотки секций 3, 4, 5 трансформатора. В момент времени ωе=2π-β открывается тиристор плеча 12 благодаря подачи на его управляющий электрод отпирающего сигнала с фазой β В результате открытия тиристора плеча 12 происходит закрытие (коммутация) тиристора плеча 10 и процесс инвертирования продолжается уже через тиристоры плеч 12 и 17. Далее в момент времени ωt=2π-20° на базу транзистора 23 подается отпирающий сигнал, в результате которого включается цепочка 24. Включение цепочки приводит к выключению плеч 12 и 17. Далее в момент времени ωt=2π на базу транзистора 23 подается запирающий сигнал управления, в результате которого цепочка 24 выключается. С этого момента начинается следующий цикл инвертирования, процессы которого подобны описанным выше. Последовательное подключение к диоду 22 транзистора 23, который своим выключением бесконтактно отключает цепочку 24 от анодной шины 21 преобразователя, приводит к повышению надежности работы преобразователя в режиме инвертора на 4-й зоне.
Процессы работы преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора на всех зонах регулирования, описанные в заявочных материалах, были получены путем математического моделирования силовой схемы электровоза типа ВЛ80Р.
Процессы моделирования показали, что по сравнению с преобразователем-прототипом коэффициент мощности предлагаемого преобразователя на 4-й зоне регулирования при номинальной нагрузке в режиме выпрямителя увеличился с 0,86 до 0,89, а в режиме инвертора с 0,82 до 0,87.