СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОЗОННЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
CONTROL METHOD FOR MULTIZONE REVERSIBLE CONVERTER OF SINGLE-PHASE DIRECT CURRENT

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано на электровозах, получающих питание от контактной сети однофазного переменного тока.
Эксплуатация многозонных выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) на электровозах переменного тока, построенных на управляемых вентилях-тиристорах, сопровождается невысоким энергетическим показателем - коэффициентом мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения за счет достаточно большого угла сдвига фаз φ между первой гармоникой тока и напряжения в первичной обмотке трансформатора, а также большого искажения формы кривой синусоидального напряжения сети на их токоприемниках. Это вызывает значительное потребление электровозом реактивной энергии сети. Для повышения коэффициента мощности в силовую схему ВИП, а именно к его выходным выводам (к катодной и анодной шинам) подключают два (первый и второй) силовых неуправляемых вентиля - диода, с помощью которых уменьшается реактивная и увеличивается активная составляющие полной энергии переменного тока, потребляемой двигателями из сети при выпрямлении в режиме тяги и возвращаемой генераторами в сеть при инвертировании в режиме рекуперативного торможения. При работе ВИП в режиме выпрямителя первый диод подключается катодом к катодной и анодом к анодной шинам. При работе ВИП в режиме инвертора второй диод подключается наоборот, а именно анодом к катодной и катодом к анодной шинам. Однако одновременная работа обоих диодов, как в режиме тяги, так и в режиме рекуперативного торможения недопустима. Связано это с тем, что в режиме рекуперативного торможения должен работать только второй диод, а первый диод должен быть отключен, иначе он создаст короткое замыкание между анодной и катодной шинами, чего нельзя допустить. Соответственно, в режиме тяги должен работать только первый диод, а второй диод должен быть отключен, иначе он создаст короткое замыкание между его катодной и анодной шинами, чего также нельзя допустить.
Известны различные пути отключения неуправляемого вентиля - диода, включенного между анодной и катодной шинами ВИП, при переводе работы преобразователя из режима выпрямителя в режим инвертора и наоборот. Одним из таких путей является последовательное подключение к диоду управляемого вентиля - тиристора, который своим запертым состоянием отключает диод.
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 с шунтированием цепи выпрямленного тока выпрямителя неуправляемым вентилем - диодом. Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя на всех зонах регулирования и в переводе накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока 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 в режиме тяге. Это обстоятельство повышает коэффициент мощности выпрямителя. Отключение диода от анодной шин при прекращении режима выпрямления производится с помощью силового контакта тормозного переключателя.
Достоинством данного способа управления многозонным выпрямителем является повышение коэффициента мощности на всех четырех зонах регулирования напряжения за счет перевода накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку путем шунтирования цепи выпрямленного тока неуправляемым вентилем - диодом.
Недостатком данного способа управления многозонным выпрямителем является то, что при прекращении режима выпрямления отключение диода выполняется с помощью механических контактов тормозного переключателя. Наличие механических контактов в схеме выпрямителя снижает надежность его работы.
Известен зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока [Патент на изобретение №2418354. Заявка №2010113666/07 от 07.04.2010, опубликовано: 10.05.2011, Бюл. №13], содержащий четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока инвертора неуправляемым вентилем - диодом. Диод присоединен катодом к анодной, а анодом к катодной шинам инвертора. Благодаря диоду повышается коэффициент мощности инвертора на всех четырех зонах регулирования напряжения за счет уменьшения угла запаса 5 инвертора, обусловленного уменьшением угла коммутации γ′ большого контура коммутации, при сохранении регулирования напряжения на этих зонах в широком диапазоне. Дело в том, что уменьшение угла запаса δ инвертора уменьшает угол сдвига фаз φ, а следовательно снижает реактивную и повышает активную составляющие полной энергии переменного тока, возвращаемой генераторами в сеть при инвертировании в режиме рекуперативного торможения, 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 коэффициента мощности на всех четырех зонах регулирования напряжения за счет уменьшения угла запаса δ инвертора, обусловленного уменьшением угла коммутации γ′ большого контура коммутации.
Недостаток зависимого многозонного инвертора заключается в том, что даже при увеличенном его коэффициенте мощности на всех зонах регулирования отключение диода от анодной шины при прекращении режима инвертирования производится с помощью силового контакта тормозного переключателя, снижающим надежность работы инвертора.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ управления четырехзонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока [Б.Н. Тихменев, В.А. Кучумов. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - С.12-45], содержащим параллельные тиристорные мосты. Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения преобразователя на всех четырех зонах регулирования в режимах тяги и рекуперативного торможения, а также в переключении этих режимов с помощью тормозного переключателя. На электровозе между этими режимами имеется время перехода, во время которого электрическая схема одного режима разбирается, а другого собирается. Переход электровоза из режима тяги в режим электрического рекуперативного торможения сопровождается переводом работы преобразователя из режима выпрямителя в режим инвертора. Во время такого перехода на электровозе включается тормозной переключатель, который своими силовыми и управленческими контактами создает работу преобразователя в режиме инвертора. При обратном переходе электровоза из рекуперативного торможения в режим тяги силовые и управленческие контакты тормозного переключателя собирают режим работы выпрямителя.
Недостатком данного способа управления преобразователем является невысокий его коэффициент мощности в режимах выпрямителя и инвертора, а сам переход из режима выпрямителя в инвертор и обратно выполняется с помощью механических силовых и управленческих контактов тормозного переключателя, на работу которых требуется достаточно большое время срабатывания (несколько секунд), причем наличие механических контактов снижает надежность работы преобразователя.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока с высоким коэффициентом мощности на всех зонах регулирования выпрямленного напряжения преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора за счет шунтирования цепи выпрямленного тока преобразователя двумя цепочками, каждая из которых состоит из последовательно включенных между собой диода и тиристора и подключена между катодной и анодной шинами преобразователя только в одном режиме, и повышенной надежностью его работы путем бесконтактного отключения одной из цепочек при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот.
Для решения поставленной задачи в известном способе управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока, содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов, заключающемся в регулировании выпрямленного напряжения преобразователя на всех четырех зонах в режимах выпрямителя и инвертора и в переключении этих режимов с помощью контактов тормозного переключателя, повышение коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании их выпрямленного напряжения осуществляют путем шунтирования цепи выпрямленного тока одной из двух (первой и второй) цепочек, состоящих из последовательно включенных между собой диода и тиристора, который отпирают путем подачи на его управляющий электрод импульса управления с соответствующей режиму работы преобразователя (выпрямитель или инвертор) фазой, и подключенных между катодной и анодной шинами, причем к катодной шине преобразователя диод первой цепочки в режиме выпрямителя подключают катодом, диод второй цепочки в режиме инвертора - анодом, а повышение надежности работы преобразователя осуществляют путем бесконтактного отключения одной из этих цепочек от анодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот с помощью тиристора, который своим запертым состоянием отключает соответствующую цепочку.
Шунтирование цепи выпрямленного тока преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора одной из двух (первой и второй) цепочек, состоящих из последовательно включенных между собой диода и тиристора, который отпирают путем подачи на его управляющий электрод импульса управления с соответствующей режиму работы преобразователя (выпрямитель или инвертор) фазой, и подключенных между катодной и анодной шинами, и бесконтактное отключение одной из них от анодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот с помощью тиристора, который своим запертым состоянием отключает соответствующий диод, отличают заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря шунтированию цепи выпрямленного тока преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора одной из двух (первой и второй) цепочек, состоящих из последовательно включенных между собой диода и тиристора, который отпирают путем подачи на его управляющий электрод импульса управления с соответствующей режиму работы преобразователя (выпрямитель или инвертор) фазой, и подключенных между катодной и анодной шинами, и бесконтактному отключению одной из них от анодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот с помощью тиристора, который своим запертым состоянием отключает соответствующий диод, осуществляется увеличение коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования и повышение надежности его работы при переходах из режима выпрямителя в режим инвертора и наоборот.
Это обусловлено следующим. Шунтирование диодом и тиристором в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока приводит к уменьшению угла φ, что уменьшает реактивную и увеличивает активную составляющую полной энергии переменного тока. В результате, это ведет к увеличению коэффициента мощности на всех зонах регулирования. Последовательное подключение к каждому диоду управляемого вентиля-тиристора, который своим запертым состоянием отключает соответствующий диод, приводит к бесконтактному отключению от анодной шины первой цепочки из диода и тиристора при переходе выпрямителя в режим инвертора и второй цепочки из диода и тиристора при переходе инвертора в режим выпрямителя, что повышает надежность работы преобразователя при его переходах из одного режима в другой и обратно.
Причинно-следственная связь «шунтирование одной из двух цепочек в режимах выпрямителя или инвертора цепи выпрямленного тока - уменьшение реактивной и увеличение активной составляющих полной энергии переменного тока - уменьшение угла φ - увеличение коэффициента мощности на всех зонах регулирования», а также «последовательное подключение к каждому диоду управляемого вентиля-тиристора, который своим запертым состоянием отключает соответствующий диод, - бесконтактное отключение от анодной шины первой цепочки при переходе выпрямителя в режим инвертора и второй цепочки при переходе инвертора в режим выпрямителя - повышение надежности работы преобразователя при его переходах из режима выпрямителя в режим инвертора и обратно» 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 многозонного выпрямительно-инверторного преобразователя по заявляемому способу управления.
На фиг. 2 показаны процессы работы на 1-й и на 4-й зонах регулирования многозонного выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме выпрямителя по заявляемому способу управления.
На фиг. 3 показаны процессы работы на 1-й и на 4-й зонах регулирования многозонного выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме инвертора по заявляемому способу управления.
Заявляемый способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока осуществляется в устройстве (см. фиг. 1), содержащем трансформатор, многозонный выпрямительно-инверторный преобразователь на основе параллельных тиристорных мостов, два неуправляемых вентиля-диода, два управляемых вентиля-тиристора и цепь выпрямленного тока нагрузки.
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.
Многозонный выпрямительно-инверторный преобразователь выполнен из параллельных тиристорных мостов, состоящих из нескольких цепочек. 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 вентилей катодной группы, соединенные в одну общую точку схемы, образуют катодную 20 шину, а аноды всех вентилей анодной группы, соединенные в другую общую точку схемы, образуют анодную 21 шину преобразователя. Средние точки цепочек подключены к соответствующим выводам секций 3, 4, 5 вторичной обмотки трансформатора.
Два неуправляемых вентиля-диода 22, 23 и два управляемых вентиля-тиристора 24, 25 образуют две встречно параллельные цепочки 22-24 и 23-25, каждая из которых состоит из последовательного включения между собой диода 22 (23) и тиристора 24 (25). Катод диода 22 первой цепочки 22-24 подключен к катодной 20, а анод тиристора 24 этой цепочки - к анодной 21 шинам преобразователя. В свою очередь, анод диода 23 второй цепочки 23-25 подключен к катодной 20, а катод тиристора 25 - к анодной 21 шинам преобразователя.
Цепь 26 выпрямленного тока нагрузки включает в себя сглаживающий реактор 27 и электрическую машину 28 постоянного тока, включенные между собой последовательно. Цепь 26 подключена со стороны сглаживающего реактора 27 к катодной 20, а со стороны электрической машины 28 к анодной 21 шинам преобразователя.
Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем заключается в повышении коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании их выпрямленного напряжения путем шунтирования цепи выпрямленного тока нагрузки одной из двух цепочек, каждая из которых состоит из последовательно включенных между собой диода и тиристора, который отпирают путем подачи на его управляющий электрод импульса управления с соответствующей режиму работы преобразователя (выпрямитель или инвертор) фазой, и бесконтактном отключении одной из двух (первой и второй) цепочек от анодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и обратно, с помощью запертого состояния управляемого вентиля-тиристора, которое сохраняется на протяжении времени этого перехода и времени работы преобразователя в режим выпрямителя или инвертора.
Повышение коэффициента мощности преобразователя в режиме выпрямителя при регулировании его выпрямленного напряжения на четырех зонах осуществляют путем шунтирования цепи 26 выпрямленного тока нагрузки первой цепочкой 22-24, состоящей из последовательно включенных между собой диода 22 и тиристора 24, который отпирают путем подачи на его управляющий электрод импульса управления α с фазой ωt=0. Причем в этой цепочке катод диода 22 подключен к катодной 20, а анод тиристора 24 - к анодной 21 шинам преобразователя.
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. Бесконтактное отключение одной из двух (первой 22-24 или второй 23-25) цепочек от анодной 21 шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и обратно осуществляют с помощью запертого состояния управляемого вентиля-тиристора 24 или 25, включенного в состав соответствующей цепочки. Запертое состояние соответствующего тиристора возникает при подаче на его анод-катод обратного выпрямленного напряжения со стороны преобразователя после окончания проводящего состояния диода и тиристора в том или ином режиме. Помимо этого на управляющий электрод соответствующего тиристора не подают импульс управления α на протяжении времени перехода и времени работы преобразователя в том режиме, в течение которого надо отключить цепочку.
рег
р
рег
р
Процесс регулирования выпрямленного напряжения выпрямителя на 1-й зоне (см. фиг. 2, a) происходит благодаря подаче в каждом (первом и втором) полупериоде напряжения сети, обозначенных на фиг. 1 сплошной и пунктирной стрелками, импульсов управления α с фазой ωt=α на тиристоры следующих плеч. В первом полупериоде по сплошной стрелке импульсы управления подаются на плечи 12, 15, а во втором полупериоде по пунктирной стрелке на плечи 13, 14. Тиристоры этих плеч отпираются и заставляют коммутировать (закрываться) с длительностью угла γ регулируемой коммутации диод 22 и тиристор 24, которые были открыты с начала каждого полупериода напряжения (т.е. в момент времени ωt=0). Открытие вентилей 22 и 24 произошло благодаря подаче на их аноды положительного потенциала ЭДС самоиндукции со стороны цепи 26 выпрямленного тока и подаче на управляющий электрод тиристора 24 импульса управления α с фазой ωt=0. Открытие диода 22 и тиристора 24 заставляет коммутировать (закрывать) тиристоры плеч 13, 14 в полупериоде по сплошной стрелке и тиристоры плеч 12, 15 в полупериоде по пунктирной стрелке. Через открытые вентили 22 и 24 на интервале времени от ωt=0 до ωt=α+γ происходит перевод накопленной энергии в индуктивности цепи 26 выпрямленного тока в нагрузку - электрическую машину 28, работающей двигателем при выпрямительном режиме преобразователя. Это приводит к снижению потребления выпрямителем реактивной и увеличению активной составляющей полной энергии переменного тока, а следовательно, к уменьшению угла φ и повышению коэффициента мощности выпрямителя.
Работа выпрямителя на 2, 3 и 4-й зонах 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.
0
рег
1
1
2
0
1
Процесс регулирования выпрямленного напряжения выпрямителя на 2, 3 и 4-й зонах регулирования (см. фиг. 2, б) происходит благодаря подаче в первом и втором полупериодах напряжения сети импульсов управления α с фазой ωt=α на тиристоры соответствующих этим полупериодам 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 подаче в соответствующих полупериодах импульсов управления α с фазой ωt=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). Тиристоры указанных плеч отпираются и осуществляют процесс регулирования выпрямленного напряжения выпрямителя. Открытие на 2, 3 и 4-й зонах в первом и втором полупериодах напряжения тиристоров соответствующих двух плеч предыдущей зоны (например, на 4-й зоне - это плечи 12, 17 и 13, 16) приводит к коммутации (закрытию) с длительностью угла γ основной коммутации γ=γ+γ диода 22 и тиристора 24, которые были открыты с начала каждого полупериода напряжения (т.е. в моменты времени ωt=0, π, 2π и т.д.). Открытие вентилей 22 и 24 произошло благодаря подаче на их аноды положительного потенциала ЭДС самоиндукции со стороны цепи 26 выпрямленного тока и подаче на управляющий электрод тиристора 24 импульса управления α с фазой ωt=0. Открытие диода 22 и тиристора 24 заставляет коммутировать (закрываться) тиристоры плеч 11, 16 в первом полупериоде и плеч 10, 17 во втором полупериоде. Через открытые вентили 22 и 24 на интервале времени от ωt=0 до ωt=α+γ происходит перевод накопленной энергии в индуктивности цепи 26 выпрямленного тока в нагрузку - электрическую машину 28, работающей двигателем при выпрямительном режиме преобразователя. Это приводит, как и на 1-й зоне, к повышению коэффициента мощности выпрямителя на 2, 3 и 4-й зонах выпрямителя.
Бесконтактное отключение цепочки из диода 22 и тиристора 24 при переходе преобразователя из режима выпрямителя в режим инвертора происходит с помощью запертого состояния управляемого вентиля-тиристора 24, включенного последовательно с диодом 22. Запертое состояние тиристора 24 возникает при подаче на его анод-катод обратного выпрямленного напряжения со стороны преобразователя после окончания проводящего состояния диода и тиристора в режиме выпрямителя. В тоже время на управляющий электрод тиристора 24 не подают импульс управления α на протяжении времени перехода и времени работы преобразователя в режиме инвертора.
Повышение коэффициента мощности преобразователя в режиме инвертора при регулировании его выпрямленного напряжения на четырех зонах осуществляют путем шунтирования цепи 26 выпрямленного тока нагрузки второй цепочкой 23-25, состоящей из последовательно включенных между собой диода 23 и тиристора 25. Причем в этой цепочке анод диода 23 подключен к катодной 20, а катод тиристора 25 - к анодной 21 шинам преобразователя.
Работа инвертора 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.
рег
рег
рег
Процесс регулирования выпрямленного напряжения инвертора на 1-й зоне (см. фиг. 3, а) происходит благодаря подаче в первом полупериоде напряжения сети импульсов управления α с фазой ωt=π-β (где β - угол опережения инвертора) на тиристоры плеча 12 и с фазой ωt=π-β (где β - регулируемый угол опережения инвертора) на тиристоры плеча 15 в первом полупериоде. Во втором полупериоде напряжения сети подают импульсы управления α с фазой ωt=π-β на тиристоры плеча 14 и с фазой ωt=π-β на тиристоры плеча 13.
р
рег
рег
р
В первом полупериоде тиристоры плеча 12 отпираются и заставляют коммутировать (закрываться) с длительностью угла γ основной коммутации тиристоры плеча 14, а тиристоры плеча 15 своим открытием коммутируют (закрывают) с длительностью угла γ регулируемой коммутации тиристоры плеча 13. Таким образом, в момент отпирания с фазой ωt=π-β тиристоров плеча 12 через открытое ранее в момент времени ωt=π-β плечо 15 и цепочку 23-25 создается контур тока короткого замыкания для напряжения секции 4 вторичной обмотки, минуя цепь 26 выпрямленного тока (сглаживающий реактор 27 и электрическая машина 28 в режиме генератора). Точно так же во втором полупериоде отпираются с фазой ωt=2π-β тиристоры плеча 14, которые заставляют закрываться с длительностью угла γ тиристоры плеча 12, а тиристоры плеча 13 своим более ранним открытием в момент ωt=π-β закрывают с длительностью угла γ тиристоры плеча 15. И теперь уже в момент ωt=2π-β создается контур тока короткого замыкания для напряжения секции 4 через открытые плечи 14, 13 и цепочку 23-25. В результате диод 23 и тиристор 25 шунтируют последовательно включенные сглаживающий реактор 27 и генератор постоянного тока 28, составляющие цепочку 26.
В результате короткого замыкания секции 4 ток по диоду 23 и тиристору 25, а также по тиристорным плечам 12, 15 в первом полупериоде и плечам 14, 13 во втором полупериоде резко возрастает и тем самым быстрее проходит процесс их полного открытия, что приводит к уменьшению длительности коммутации вентилей 12, 15 и 14, 13, т.е. к уменьшению угла γ по сравнению с работой инвертора без цепочки 23-25. Уменьшение γ позволяет уменьшить в автоматической системе регулирования заданную величину (уставку) угла запаса δ инвертора, что приводит в дальнейшей работе инвертора к автоматическому уменьшению угла опережения β, так как β=γ+δ. Уменьшение угла β приводит к уменьшению угла сдвига фаз φ и к увеличению коэффициента мощности инвертора на 1-й зоне регулирования.
Кроме того, при закорачивании диодом 23 и тиристором 25 катодной 20 и анодной 21 шин инвертора устанавливается небольшое по величине (3-4 B) прямое падение напряжения на вентилях 23 и 25, что значительно уменьшает величину отрицательной составляющей выпрямленного напряжения на протяжении угла β, которая вычитается из положительной составляющей выпрямленного напряжения на протяжении угла π-β. В результате, среднее значение выпрямленного напряжения инвертора увеличивается в каждом полупериоде напряжения, что увеличивает возврат в сеть активной составляющей полной мощности инвертирования энергии генератора.
После смены полярности напряжения сети в точке π, 2π и т.д. диод 23 и тиристор 25 запираются обратным для них выпрямленным напряжением инвертора. В результате, выпрямленное напряжение инвертора через анодную 21 и катодную 20 шины прикладывается к цепи 26 выпрямленного тока нагрузки, т.е. к цепи последовательно включенных генератора 28 и сглаживающего реактора 27. С этого момента времени через плечи 12, 15 в первом и плечи 14, 13 во втором полупериодах напряжения сети генератор начинает инвертировать свой ток через трансформатор в сеть.
Работа инвертора на 2, 3 и 4-й зонах осуществляется путем подачи напряжения от источника питания 2 на первичную обмотку 1 трансформатора. Далее секции 3, 4 и 5 его вторичной обмотки подают напряжение на средние точки цепочек тиристорных плеч 10-11, 12-13, 14-15 и 16-17.
рег
Процесс регулирования выпрямленного напряжения инвертора на 2, 3 и 4-й зонах регулирования (см. фиг. 3, б) происходит благодаря подаче в первом и втором полупериодах напряжения сети сигналов управления с фазой β на тиристоры соответствующих этим полупериодам двух плеч моста каждой последующей зоны (на 2-й зоне - плечи 10,15 и 11,14, на 3-й зоне - плечи 12, 17 и 13, 16, на 4-й зоне - плечи 10, 17 и 11, 16. Затем, после смены полярности напряжения сети в точках π, 2π и т.д. на интервале следующего полупериода (второго или первого) подают сигналы управления с фазой β на тиристоры одного плеча другого моста, образующего предыдущую зону (на 2-й зоне - плечо 12 или 13, на 3-й зоне - плечо 14 или 15, на 4-й зоне - плечо 12 или 13). Тиристоры указанных плеч отпираются и осуществляют процесс регулирования выпрямленного напряжения инвертора. Открытие на 2, 3 и 4-й зонах в первом и втором полупериодах тиристоров соответствующих двух плеч последующей зоны (например, на 4-й зоне это плечи 10, 17 и 11, 16), на которые подаются сигналы управления с фазой β, приводит к коммутации (закрытию) с длительностью угла γ основной коммутации тиристоров плеч 16, 13 и 17, 12, а также к открытию диода 23 и тиристора 24, через которые возникает контур короткого замыкания для напряжения последовательно соединенных секций 3, 4 и 5 вторичной обмотки трансформатора.
Сопротивление нагрузки контура короткого замыкания, образованного секциями 2, 3 и 4, тиристорами плеч 10, 17 в первом и плеч 11, 16 во втором полупериодах, диодом 23 и тиристором 25, обусловлено в основном прямым сопротивлением диода 23 и тиристора 25, которые значительно меньше сопротивления цепи последовательно включенных сглаживающего реактора 27 и генератора 28, образующих цепь 26. В результате короткого замыкания секций 2, 3, 4 ток по диоду 23 и тиристору 25, а также по тиристорным плечам 10, 17 в первом и 11, 16 во втором полупериодах резко возрастает и тем самым убыстряет процесс их полного открытия, что приводит к уменьшению длительности основной коммутации этих плеч. Это создает уменьшение угла γ по сравнению с работой инвертора без цепочки 23-25.
Уменьшение угла γ позволяет в автоматической системе регулирования уменьшить заданную величину (уставку) угла запаса δ, что приводит к автоматическому уменьшению угла π в силу того, что β=γ+δ. В свою очередь уменьшение угла β приводит к уменьшению угла φ и к увеличению коэффициента мощности инвертора на 2, 3 и 4-й зонах регулирования.
Также как и на 1-й зоне закорачивание диодом 23 и тиристором 25 секций 2, 3 и 4 приводит к значительному уменьшению отрицательной составляющей выпрямленного напряжения инвертора на интервале угла β и как следствие к увеличению среднего значения выпрямленного напряжения. Это увеличивает возврат в сеть активной составляющей полной мощности инвертирования энергии генератора. После смены полярности напряжения сети в точке π, 2π и т.д. диод 23 и тиристор 25 запираются обратным для них выпрямленным напряжением инвертора. Далее выпрямленное напряжение инвертора через анодную 21 и катодную 20 шины прикладывается к цепи 26, собранной из последовательно включенных генератора 28 и сглаживающего реактора 27. С этого момента времени через плечи 10, 17 в первом и плечи 11, 16 во втором полупериодах напряжения сети генератор начинает инвертировать свой ток через трансформатор в сеть.
Процессы работы преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора на всех зонах регулирования и переходах из одного режима в другой и обратно были получены путем математического моделирования силовой схемы электровоза типа ВЛ80Р. В качестве примеров, на фиг. 2 и 3 приведены диаграммы процессов работы преобразователя в режимах выпрямителя (фиг. 2) и инвертора (фиг. 3) на 1-й (а) и 4-й (б) зонах регулирования.
Опытные испытания показали, что по сравнению с преобразователем прототипом коэффициент мощности предлагаемого преобразователя при номинальной нагрузке в режиме выпрямителя увеличился с 0,84 до 0,88, а в режиме инвертора с 0,65 до 0,80. Время перехода из режима выпрямителя в режим инвертора и наоборот, из режима инвертора в режим выпрямителя сократилось с 5 с до 0,2 с.