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, получающим питание от контактной сети однофазного переменного тока.
Эксплуатация многозонных выпрямительно-инверторных преобразователей на электроподвижном составе, построенных на управляемых вентилях - тиристорах, сопровождается невысоким коэффициентом мощности в режимах выпрямителя и инвертора за счет большого угла сдвига фаз ϕ между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза. Причем в этом угле сдвига фаз в режиме выпрямителя фаза тока отстает от фазы напряжения, а в режиме инвертора опережает. Это вызывает значительное потребление преобразователем электромагнитной (реактивной) энергии сети.
0
Большая величина угла ϕ вызывается достаточно большими величинами нерегулируемого фазового угла α (минимальная величина интервала времени от нуля напряжения до момента подачи импульсов управления на тиристоры) в режиме выпрямителя и угла опережения β (интервал времени от начала подачи импульсов управления на тиристоры до момента времени π прохода кривой переменного напряжения сети через нуль) в режиме инвертора, необходимых для отпирания тиристоров, а также угла γ естественной основной коммутации токов тиристоров при смене полупериодов напряжения, вызываемого большими величинами тока в тяговых двигателях (режим выпрямителя) и генераторе (режим инвертора), а также индуктивного сопротивления цепи переменного тока преобразователя.
Для повышения коэффициента мощности преобразователя к его выходным (катодной и анодной) шинам подключают силовой неуправляемый вентиль - диод, через который в режиме выпрямителя разряжается накопленная в индуктивности цепи выпрямленного тока нагрузки электромагнитная энергия, а в режиме инвертора разряжается электромагнитная энергия цепи переменного тока. Известны различные способы включения и выключения диода между катодной и анодной шинами преобразователя. Одним из таких способов является последовательное подключение к диоду полупроводникового полностью управляемого прибора - транзистора, который своим открытием включает диод и закрытием выключает диод. Известны также различные пути повышения коэффициента мощности многозонного преобразователя за счет уменьшения угла ϕ. Одним из таких путей является разбиение естественной основной коммутации тока тиристоров (угла γ), происходящей при смене полупериодов напряжения сети, на два интервала, один из которых протекает в предыдущем полупериоде до точки прохода напряжения через нуль, а второй в последующем полупериоде после этой точки.
рег
Известен способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока [1 - 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 с шунтированием цепи выпрямленного тока нагрузки неуправляемым вентилем - диодом. Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя на всех зонах регулирования, в подаче на тиристоры плеч моста 1-й зоны импульсов управления с регулируемым фазовым углом α и в переводе накопленной в индуктивности цепи выпрямленного тока электромагнитной (реактивной) энергии в нагрузку (тяговые двигатели) путем шунтирования цепи выпрямленного тока диодом, катод которого присоединен к катодной, а анод к анодной шинам выпрямителя. Благодаря диоду уменьшается реактивная и увеличивается активная составляющие полной энергии переменного тока сети, выпрямляемого выпрямителем для потребления тяговыми двигателями. Это повышает коэффициент мощности выпрямителя электровоза. Недостатком данного способа управления многозонным выпрямителем является то, что включение диода при возникновении режима выпрямления и его отключение от анодной шины при прекращении этого режима производится с помощью механического силового контакта переключателя, что снижает надежность работы выпрямителя.
Известен зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока [2 - 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 [3 - Патент на изобретение №2561913. Заявка №2014115762/07 от 18.04.2014, опубликовано: 10.09.2015, Бюл. №25], содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока нагрузки двумя цепочками, каждая из которых предназначена только для одного режима (выпрямителя или инвертора) и выполнена из последовательно соединенных силовых неуправляемого вентиля - диода и управляемого вентиля - тиристора, подключенных между катодной и анодной шинами преобразователя. Для режима выпрямителя включена только первая цепочка, в которой катод диода подключают к катодной шине, а анод тиристора к анодной шине преобразователя, а для режима инвертора включена только вторая цепочка, в которой катод диода подключают к анодной шине, а анод тиристора к катодной шине преобразователя. Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя и инвертора на всех зонах регулирования, в шунтировании цепи выпрямленного тока одной из двух (первой или второй) цепочек с целью разряда через нее реактивной энергии и бесконтактном отключении каждой из них с помощью тиристора от анодной или катодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот. Такой способ управления повышает коэффициент мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора, а также повышает надежность работы преобразователя по сравнению с 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, которая шунтирует цепь выпрямленного тока, т.е. необходимо иметь две цепочки согласно двум режимам работы 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 за счет значительного уменьшения угла сдвига фаз ϕ между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза, обусловленного разбиением естественной основной коммутации тока тиристоров преобразователя на два интервала, один из которых благодаря включению транзистора протекает в предыдущем полупериоде на интервале времени от включения транзистора до точки прохода напряжения через нуль, а второй благодаря выключению транзистора протекает в последующем полупериоде на интервале времени после выключения транзистора.
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 регулирования в режимах выпрямителя и инвертора, шунтировании цепи выпрямленного тока преобразователя одной из двух цепочек, каждая из которых состоит из последовательно включенных силовых диода и тиристора, и бесконтактном отключении ее от анодной или катодной шины с помощью управления тиристора 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 с помощью одной цепочки, осуществляющей шунтирование выпрямленного токапреобразователя при регулировании выпрямленного напряжения, которая составлена из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединена анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору - встречно-параллельно второй силовой диод, а управление в каждом полупериоде напряжения осуществляют включением транзистора путем подачи на него отпирающего сигнала управления в момент времени ωt=π-25° и его выключением путем подачи запирающего сигнала в момент времени ωt=π+25°».
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, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору встречно-параллельно второй силовой диод, и управление в каждом полупериоде напряжения включением транзистора путем подачи на него отпирающего сигнала управления в момент времени ωt=π-25° и его выключением путем подачи запирающего сигнала в момент времени ωt=π+25°, отличают заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря шунтированию в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору встречно-параллельно второй силовой диод, и управлению в каждом полупериоде напряжения включением транзистора путем подачи на него отпирающего сигнала управления в момент времени ωt=π-25° и его выключением путем подачи запирающего сигнала в момент времени ωt=π+25°, осуществляется увеличение коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования и повышение надежности его работы в режимах выпрямителя и инвертора.
Это обусловлено следующем. Шунтирование в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору встречно-параллельно второй силовой диод, и управление в каждом полупериоде напряжения включением транзистора путем подачи на него отпирающего сигнала управления в момент времени ωt=π-25° и его выключением путем подачи запирающего сигнала в момент времени ωt=π+25°, приводит к уменьшению угла сдвига фаз ϕ, 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 него запирающего сигнала управления в момент времени ωt=π+25° бесконтактно отключает цепочку от катодной шины преобразователя, что повышает его надежность работы в режимах выпрямителя и инвертора.
Причинно-следственная связь «шунтирование в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору встречно-параллельно второй силовой диод, - управление в каждом полупериоде напряжения включением транзистора путем подачи на него отпирающего сигнала управления в момент времени ωt=π-25° и его выключением путем подачи запирающего сигнала в момент времени ωt=π+25° - уменьшение угла сдвига фаз ϕ - 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 катодной 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. 2а, б показаны процессы работы на первой и четвертой зонах регулирования четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме выпрямителя по заявляемому способу управления.
На фиг. 3а, б 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 выпрями-тельно-инверторный преобразователь на основе параллельных тиристорных мостов, цепочку из силовых диода и транзистора, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору встречно-параллельно второй силовой диод, 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. катод диода 22 соединен с коллектором транзистора 23. Цепочка 24 присоединена анодом диода 22 к анодной шине 21 и эмиттером транзистора 23 к катодной шине 20 преобразователя. В цепочке 24 к диоду 22 параллельно присоединен конденсатор 28, а к транзистору 23 встречно-параллельно второй силовой диод 29. К катодной 20 и анодной 21 шинам присоединена цепь 25 выпрямленного тока преобразователя. Цепь 25 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 шине 20, а со стороны электрической машины 27 к анодной шине 21.
Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем заключается в увеличении коэффициента мощности и повышении надежности работы преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании их выпрямленного напряжения на всех зонах регулирования путем шунтирования цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору встречно-параллельно второй силовой диод, и присоединенной анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, и управления в каждом полупериоде напряжения включением транзистора путем подачи на него отпирающего сигнала управления в момент времени ωt=π-25° и его выключением путем подачи запирающего сигнала в момент времени ωt=π+25°.
рег
0
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 и ωt=2π, в которые начинают подаваться отпирающие сигналы управления с фазой α на тиристоры плеча 15 в первом полупериоде и плеча 14 во втором. Кроме того, чтобы такое регулирование состоялось необходимо в моменты времени ωt=25° и ωt=π+25° подавать отпирающие сигналы управления с фазой α на тиристоры плеч 12 и 13 в каждом полупериоде. В дальнейшем по мере перемещения фазы отпирающих сигналов управления α, подаваемых на тиристоры плеч 15 и 14, 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
0
рег
1
2
0
1
2
На фиг. 2, а в качестве примера представлены процессы работы выпрямителя на 1-й зоне регулирования в момент времени ωt=90°. Здесь на тиристоры плеча 15 в первом и плеча 14 во втором полупериодах в моменты времени ωt=90° и ωt=π+90° соответственно подаются отпирающие сигналы управления с фазой α. Помимо этого в каждом полупериоде на тиристоры плеч 12 и 13 в моменты времени ωt=25° и ωt=π+25° подаются отпирающие сигналы управления с фазой α. В результате, от ωt=25° до ωt=90° в первом и от ωt=π+25° до ωt=π+90° во втором полупериодах в выпрямителе происходит разряд накопленной электромагнитной энергии в индуктивностях обмоток сглаживающего реактора 26 и двигателя 27 через открытые тиристоры плеч 12 и 13 (эти плечи создают буферный короткозамкнутый контур разряда электроэнергии). В моменты времени ωt=90° в первом и ωt=π+90° во втором полупериодах такой разряд электроэнергии прекращается благодаря открытию в эти моменты времени тиристоров плеч 15 и 14 соответственно, на которые были поданы отпирающие сигналы управления с фазой α. Это происходит потому, что открытие тиристоров плеча 15 запирает тиристоры плеча 13 в первом полупериоде, а открытие тиристоров плеча 14 запирают тиристоры плеча 12 во втором полупериоде. На протяжении времени от ωt=90° до ωt=π-25° в первом и от ωt=π+90° до ωt=2π-25° во втором полупериодах происходит выпрямление переменного тока секции 4 вторичной обмотки трансформатора в постоянный ток двигателя 27. 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. Кроме того, этот ток заряжает через диод 29 конденсатор 28 до амплитудного значения выпрямленного напряжения данной зоны. В момент времени ωt=π-25° первого полупериода (сплошная стрелка) подаются отпирающие сигналы управления на транзистор 23, который открывается благодаря приложению к коллектору транзистора 23 в цепочке 24 амплитуды положительного потенциала напряжения заряженного конденсатора 28. Потенциал этого напряжения является большим по величине, чем потенциал выпрямленного напряжения на катодной шине 20, образованного проведением тока через открытые тиристоры плеч 12, 15. В результате, напряжение на аноде-катоде тиристоров плеч 12, 15 становится обратным по полярности, что заставляет их коммутировать (закрываться), т.е. возникает первый интервал (угол γ) протекания основной коммутации тока между закрывающимися тиристорами плеч 12, 15 и открывающимся транзистором 23. Этот первый интервал коммутации заканчивается в предыдущем полупериоде до точки прохода напряжения через нуль, что приводит к прекращению подачи тока из трансформатора в двигатель. В то же время через открытый транзистор 23 происходит перевод энергии заряженного конденсатора 28 в потребитель - электрическую машину 27, работающую двигателем при выпрямительном режиме преобразователя. В последующем полупериоде напряжения в момент времени ωt=π+25° (пунктирная стрелка) при подаче на транзистор 23 запирающих сигналов возникает второй интервал коммутации (угол γ), связанный с закрытием транзистора 23 и открытием тиристоров плеч 12 и 13, на которые в этот же момент времени были поданы отпирающие сигналы управления с фазой α. Подобный процесс происходит и в следующем полупериоде (сплошная стрелка). Результатом такого управления преобразователем в режиме выпрямителя является то, что естественная основная коммутация тока тиристоров (угол γ), происходящая при смене полупериодов напряжения сети с помощью включения и выключения транзистора 23, разбивается на два отдельных интервала (углы γ и γ).
Таким образом, с открытием транзистора 23 в момент времени ωt=π-25° происходит прекращение потребления тока из сети, т.е. прекращение потребления реактивной энергии из сети и возникновение полезного (активного характера) потребления двигателем энергии заряженного конденсатора 23, а с закрытием транзистора 23 в момент времени ωt=π+25° происходит прекращение потребления двигателем энергии заряженного конденсатора 28. В результате, происходит симметрирование кривой переменного тока по отношению к кривой переменного напряжения в первичной обмотке трансформатора, что приводит к уменьшению угла ϕ и повышению коэффициента мощности выпрямителя.
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 соответственно с фазой α=25° и α=π+25° 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). Одновременно на открытый в предыдущий полупериод транзистор 23 подаются запирающие импульсы с фазой α=25° в первом или α=π+25° во втором полупериодах. В результате, происходит коммутация между транзистором 23 и тиристорами двух однофазных плеч, номера которых для каждой зоны указаны выше, т.е. транзистор закрывается, а тиристоры двух однофазных плеч отпираются.
2
рег
р
1
2
На фиг. 2, б в качестве примера представлены процессы работы выпрямителя на 4-й зоне. Открытие на 4-й зоне в первом и втором полупериодах напряжения тиристоров плеч 12, 17 и 13, 16 соответственно, на которые подаются сигналы управления с фазой α=25° и α=π+25°, 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. Одновременно выпрямленное напряжение на шинах 20 и 21 является обратным (отрицательным) для цепочки 24 (диода 22 и транзистора 23), способствующим их запиранию. Несмотря на приложение к цепочке 24 обратного напряжения для надежного выключения транзистора 23 на его управляющую цепь подают запирающий сигнал в эти же моменты времени ωt=25° и ωt=π+25°. В результате, транзистор 23 начнет закрываться (коммутировать), а тиристоры двух однофазных плеч 12, 17 (в полупериоде по сплошной стрелке) и 13, 16 (в полупериоде по пунктирной стрелке) открываться на интервале времени, равном углу коммутации γ. От образовавшегося выпрямленного напряжения выпрямителя выпрямленный ток пойдет не только в потребитель - двигатель постоянного тока, но и через диод 29 в конденсатор 28, заряжая его до амплитудного значения выпрямленного напряжения в момент времени ωt=90°. Далее в этот же момент времени ωt=90° подают сигналы управления с фазой α на тиристоры плеча 10 или 11 другого моста, образующего последующую зону. В результате, на интервале времени ωt=γ происходит регулируемая коммутация между тиристорами плеч 10 и 12 или 11 и 13, т.е. тиристоры плеч 10 или 11 открываются, а тиристоры плеч 12 или 13 закрываются. Далее, в момент времени ωt=π-25° или ωt=2π-25° на транзистор 23 подают отпирающий сигнал, в результате чего он начнет открываться. Его отпирание осуществляется благодаря приложению к коллектору транзистора 23 в цепочке 24 амплитуды положительного потенциала напряжения заряженного конденсатора 28. Потенциал этого напряжения является большим по величине, чем потенциал выпрямленного напряжения в этот момент времени на катодной шине 20, образованного проведением тока через открытые тиристоры плеч 10, 17 или 11, 16. В результате, напряжение на аноде-катоде тиристоров плеч 10, 17 или 11, 16 становится обратным по полярности, что заставляет их коммутировать (закрываться). Это приводит к прекращению подачи тока из трансформатора в двигатель. В то же время через открытый транзистор 23 происходит перевод энергии заряженного конденсатора 28 в потребитель - электрическую машину 27, работающую двигателем при выпрямительном режиме преобразователя. Подобные процессы работы происходят на 2-й и 3-й зонах регулирования выпрямленного напряжения. Результатом такого управления преобразователем в режиме выпрямителя является то, что естественная основная коммутация тока тиристоров (угол γ), происходящая при смене полупериодов напряжения сети с помощью включения и выключения транзистора, разбивается на два отдельных интервала (углы γ и γ).
Таким образом, с открытием транзистора 23 в момент времени ωt=π-25° происходит прекращение потребления тока из сети, т.е. прекращение потребления реактивной энергии из сети и возникновение полезного (активного характера) потребления двигателем энергии заряженного конденсатора 23, а с закрытием транзистора 23 в момент времени ωt=π+25° происходит прекращение потребления двигателем энергии заряженного конденсатора 28. В результате, также, как и на 1-й зоне происходит симметрирование кривой переменного тока по отношению к кривой переменного напряжения в первичной обмотке трансформатора, что приводит к уменьшению угла ϕ и повышению коэффициента мощности выпрямителя на 4-й зоне.
Последовательное подключение к диоду 22 транзистора 23, который своим выключением в каждом полупериоде бесконтактно отключает цепочку 24 от катодной шины 20 преобразователя, приводит к повышению надежности работы преобразователя в режиме выпрямителя на всех четырех зонах регулирования.
Работа инвертора на всех четырех зонах регулирования 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, а далее уже с секций 3, 4, 5 и 6 его вторичной обмотки напряжение подается на средние точки цепочек тиристорных плеч 10-11, 12-13, 14-15 и 16-17, из которых собирается та или иная зона инвертора.
Так, на 1-й зоне секция 4 вторичной обмотки трансформатора 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 поступает 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
1
2
Рассмотрим процесс регулирования выпрямленного напряжения инвертора на 1-й зоне (см. фиг. 3, а). Здесь в качестве примера представлены процессы работы инвертора, в котором на однофазные тиристоры плеч 13, 14 в первом (сплошная стрелка) и 12, 15 во втором (пунктирная стрелка) полупериодах подаются отпирающие импульсы с фазой β=25°. Одновременно на аноды тиристоров этих плеч поступает положительный потенциал «+» напряжения генератора 27, который значительно больше отрицательного потенциала напряжения секции 4. В результате, в первом полупериоде, соответствующем сплошной стрелке, плечи 13 и 14 открываются и возникает режим инвертирования постоянного тока генератора в переменный ток вторичной обмотки трансформатора по следующему контуру цепи: «+» 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 и 13. Благодаря открытию плеча 15 на интервале γ образуется буферный короткозамкнутый контур разряда электромагнитной энергии сглаживающего реактора 26 и напряжения генератора 27: «+» генератора 27 - плечо 15 - плечо 14 - сглаживающий реактор 26 - «-» генератора 27. Затем происходит подача на управляющую цепь транзистора 23 отпирающего сигнала управления с фазой β=π-25°. В результате открытия транзистора 23 и диода 22 через цепочку 24 возникает новая цепь разряда энергии сглаживающего реактора 26 и напряжения 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. В результате, происходит переход (коммутация γ) тока из цепи тиристоров плеч 14 и 15 в цепь цепочки 24 (транзистор 23 и диод 22). Далее, в момент времени ωt=π+25° происходит подача запирающего сигнала в управляющую цепь транзистора 23, в результате чего цепочка 24 выключается и через нее прекращается протекание тока (коммутация γ). Выключение цепочки 24 создает потенциальные условия для включения тиристоров плеч 12 и 15. Для этого на тиристоры плеч 12 и 15 подаются отпирающие сигналы управления с фазой β в момент времени ωt=π+25°, 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.
В результате, происходит симметрирование кривой переменного тока по отношению к кривой переменного напряжения в первичной обмотке трансформатора, что приводит к уменьшению угла ϕ и повышению коэффициента мощности инвертора на 1-й зоне.
рег
р
1
2
рег
р
Процесс регулирования выпрямленного напряжения инвертора на 2, 3 и 4-й зонах достаточно рассмотреть на примере 4-й зоны (см. фиг. 3, б). В первом полупериоде напряжения по сплошной стрелке начинается первый цикл работы инвертора, заключающийся в том, в момент времени ωt=25° отпираются тиристоры плеч 11 и 16 путем подачи на них отпирающих сигналов управления с фазой β=25°. Одновременно на аноды тиристоров этих плеч поступает положительный потенциал «+» напряжения генератора 27, который значительно больше отрицательного потенциала суммы напряжений секций 3, 4 и 5. В результате, в первом полупериоде, соответствующем сплошной стрелке, плечи 11 и 16 открываются и возникает режим инвертирования постоянного тока генератора в переменный ток вторичной обмотки трансформатора по следующему контуру цепи: «+» генератора 27 - тиристорное плечо 11 - последовательно соединенные секции 3, 4 и 5 - тиристорное плечо 16 - сглаживающий реактор 26 - «-» генератора 27. Далее, в этом полупериоде в момент времени ωt=π-β подается отпирающий сигнал управления на однофазное тиристорное плечо 13, которое своим открытием закрывает плечо 11, т.е. происходит процесс фазовой коммутации на интервале γ между плечами 13 и 11. После этого процесс инвертирования протекает через открытые тиристоры плеч 13 и 16. Затем, в момент времени ωt=π-25° происходит подача отпирающего сигнала на управляющую цепь транзистора 23. В результате, под действием положительного потенциала генератора, приложенного к аноду диода 22 и катоду транзистора 23, транзистор 23 открывается 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 27 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 (не более 25°), который уменьшает величину угла ϕ, а значит, увеличивает величину коэффициента мощности инвертора. Включение цепочки 24 приводит к закрытию плеч 13 и 16 (происходит коммутация γ) тока из цепи тиристоров плеч 13 и 16 в цепь цепочки 24 (транзистор 23 и диод 22). Далее, в момент времени ωt=π+25° происходит подача запирающего сигнала в управляющую цепь транзистора 23, в результате чего цепочка 24 выключается и через нее прекращается протекание тока. Выключение цепочки 24 создает потенциальные условия для включения тиристоров плеч 10 и 17. Поэтому одновременно на тиристоры плеч 10 и 17 подаются отпирающие сигналы управления в момент времени ωt=π+25°, в результате чего они открываются (коммутация γ). С этого момента во втором полупериоде, соответствующем пунктирной стрелке, начинается второй цикл инвертирования постоянного тока генератора в переменный ток секций 3, 4 и 5 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 10 и 17, а затем происходит фазовое регулирование напряжения инвертора путем подачи в момент времени ωt=π-β отпирающего сигнала управления на тиристоры однофазного плеча 12, которое своим открытием закрывает плечо 10, т.е. происходит процесс фазовой коммутации на интервале γ между плечами 12 и 10.
1
2
Результатом такого управления преобразователем в режиме инвертора на всех четырех зонах является то, что естественная основная коммутация тока тиристоров (угол γ), происходящая при смене полупериодов напряжения сети с помощью включения и выключения транзистора 23, разбивается на два отдельных интервала (углы γ и γ).
Таким образом, с открытием транзистора 23 в момент времени ωt=π-25° происходит прекращение потребления тока из сети, т.е. прекращение потребления ее реактивной энергии, и увеличение потребления якорем генератора полезной (активной) энергии, используемой для электрического торможения колесных пар электровоза, что повышает безопасность движения поездов. При закрытии транзистора 23 в момент времени ωt=π+25° происходит возникновение инвертирования постоянного тока генератора в переменный ток сети, т.е. передача (возврат) активной энергии генератора в сеть, что является экономически выгодным процессом, так как это приводит в целом к уменьшению затрат электроэнергии на выполнение работы (тяга поездов) электровоза. В результате протекания таких процессов происходит симметрирование кривой переменного тока по отношению к кривой переменного напряжения в первичной обмотке трансформатора, что приводит к уменьшению угла ϕ и значительному повышению коэффициента мощности инвертора.
Последовательное подключение к диоду 22 транзистора 23, который своим выключением в каждом полупериоде бесконтактно отключает цепочку 24 от катодной шины 20 преобразователя, приводит к повышению надежности работы преобразователя в режиме инвертора на всех четырех зонах регулирования.
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 математического моделирования показали, что по сравнению с преобразователем-прототипом коэффициент мощности предлагаемого преобразователя на 4-й зоне регулирования при номинальной нагрузке значительно повысился - в режиме выпрямителя увеличился с 0,86 до 0,98, т.е. на 12%, а в режиме инвертора с 0,82 до 0,97, т.е. на 15%.