УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ
CONSUMER VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для увеличения синусоидальности формы напряжения потребителей, имеющих в своем составе выпрямительно-инверторные преобразователи, в частности, на электроподвижном составе железных дорог.
На электрифицированных железных дорогах, при работе электровозов с мощными тиристорными преобразователями, в форме напряжения в тяговой сети наблюдаются искажения, уменьшающие синусоидальность этого напряжения. Эти искажения напряжения представляют собой провал напряжения, вызванный коммутацией тока в преобразователях электровоза, и, образующиеся в результате этого, высокочастотные колебания напряжения.
Это приводит к большим потерям напряжения в тяговой сети и, соответственно, к снижению уровня напряжения на двигателях электровоза и мощности электровоза.
Одним из путей уменьшения искажений напряжения в тяговой сети является способ разнофазного управления двумя преобразователями электровоза. Принцип такого способа заключается в разнесении во времени начал и, соответственно, окончаний коммутации двух преобразователей электровоза. В идеальном случае величина задержки времени между коммутациями первого и второго преобразователя электровоза должна равняться полупериоду высокочастотных колебаний напряжения. В результате этого провал напряжения в тяговой сети во время коммутации будет меньше, а высокочастотные колебания напряжения будут накладываться друг на друга в противофазе, уменьшая тем самым общее искажение формы напряжения в тяговой сети.
Известно устройство для преобразования формы напряжения потребителя, установленное на электровозе ВЛ-85-001, в котором использован способ разно-фазного управления двумя преобразователями электровоза [Кулинич Ю.М. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями / Ю.М.Кулинич, В.В.Находкин, В.А.Кучумов, Г.А.Штибен // Вестник ВНИИЖТ. - 1986. - №4. - С.23-26]. Известное устройство содержит два канала регулирования, источник управляемых импульсов и блок задержки. Каждый из каналов регулирования содержит преобразовательный трансформатор, управляемый выпрямитель, усилитель и распределитель импульсов.
Первичные обмотки преобразовательных трансформаторов связаны с сетью, а их вторичные обмотки подключены к последовательно соединенным управляемому выпрямителю, усилителю и распределителю импульсов. Выход источника управляющих импульсов соединен с входом распределителя импульсов первого канала и через блок задержки - с входом распределителя импульсов второго канала.
Устройство работает следующим образом. Переменное напряжение тяговой сети поступает на первичную обмотку преобразовательного трансформатора. Под действием сигналов управления с усилителя управляемый выпрямитель осуществляет выпрямление напряжения, полученного с вторичной обмотки преобразовательного трансформатора. При выпрямлении напряжения в управляемом выпрямителе происходит коммутация тока, во время которой происходит провал напряжения в тяговой сети, следствием которого является появление высокочастотный колебаний напряжения. Таким образом, каждый канал регулирования вызывает колебания напряжения в тяговой сети. Импульсы управления от источника управляющих импульсов поступают на первый канал регулирования непосредственно, а на второй канал регулирования - через блок задержки. В каждом канале регулирования импульсы управления поступают на управляемый выпрямитель через распределитель импульсов и усилитель.
Благодаря этому сигнал источника управляющих импульсов поступает на управляемый выпрямитель первого канала регулирования сразу, а на управляемый выпрямитель второго канала регулирования спустя некоторое время, регулируемое блоком задержки.
В результате этого коммутация тока во втором канале регулирования начинается с задержкой во времени относительно коммутации тока в первом канале регулирования, что приводит к уменьшению величины провала напряжения в тяговой сети и, соответственно, уменьшению амплитуды высокочастотных колебаний напряжения в сети.
При этом при задержке во времени, равной полупериоду высокочастотных колебаний напряжения, высокочастотные колебания напряжения, вызванные коммутацией тока в первом и втором каналах регулирования, будут накладываться друг на друга в противофазе. Это приведет к наиболее полному уменьшению амплитуды высокочастотных колебаний.
Достоинство известного устройства заключается в увеличении мощности электровоза благодаря уменьшению потерь напряжения в тяговой сети, вызванных искажением напряжения в сети, за счет разнофазного управления преобразователями электровоза.
Кроме того, устройство способно уменьшать амплитуду высокочастотных колебаний напряжения в тяговой сети независимо от ее первоначальной величины, поскольку оно воздействует непосредственно на причину возникновения высокочастотных колебаний.
Несмотря на увеличение мощности электровоза ее величина не достигает своего номинального значения, что является недостатком известного устройства.
Это обусловлено тем, что,
во-первых, уменьшение высокочастотных колебаний напряжения в тяговой сети при их сложении происходит лишь частично, так как высокочастотные колебания напряжения имеют затухающий характер, вследствие чего полуволна этих колебаний, вызванная первым каналом регулирования, оказывается не равной полуволне, вызванной вторым каналом регулирования. В результате этого потери напряжения в тяговой сети, вызываемые искажением напряжения, устраняются не полностью;
во-вторых, задержка подачи импульсов управления на второй канал регулирования относительно первого канала регулирования вызывает уменьшение величины напряжения, выпрямленного во втором канале регулирования, относительно напряжения, выпрямленного в первом канале регулирования. Это приводит к уменьшению мощности второго канала регулирования по сравнению с первым каналом регулирования, что дополнительно уменьшает мощность электровоза в целом.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство для преобразования формы напряжения потребителя, основанное на генерации тока компенсации в сеть [Пат. 2339142 Российская Федерация, МПК H02J 3/01, Н02М 1/00. Устройство для преобразования формы напряжения потребителя / Ю.М.Кулинич, Ю.С.Кабалык; Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения». - №2007111087/09; заявл. 26.03.2007; опубл. 20.11.2008, Бюл. №32. - 9 с.].
Устройство для преобразования формы напряжения потребителя содержит блок компенсации, силовой блок, систему управления, датчик напряжения и трансформатор тока (связующий трансформатор).
Блок компенсации включает в себя последовательно соединенные устройство вычисления переменной составляющей напряжения, элемент сравнения, дельта-модулятор и источник тока компенсации. В качестве источника тока компенсации использован автономный инвертор напряжения. Вход устройство вычисления переменной составляющей напряжения и второй вход элемента сравнения объединены. Вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения является входом блока компенсации, а выход автономного инвертора напряжения -его выходом.
Силовой блок состоит из последовательно соединенных преобразовательного трансформатора, тиристорного моста и двигателя. Первичная обмотка преобразовательного трансформатора является первым входом силового блока, второй вход тиристорного моста - вторым входом силового блока, а выход двигателя заземлен.
Первичная обмотка датчика напряжения включена между тяговой сетью и «землей», вторичная обмотка датчика напряжения связана с входом блока компенсации. Первичная обмотка трансформатора тока включена между тяговой сетью и первичной обмоткой преобразовательного трансформатора, вторичная обмотка трансформатора тока соединена с выходом блока компенсации. Выход системы управления соединен со вторым входом тиристорного моста.
Устройство для преобразования формы напряжения потребителя работает следующим образом. Переменное напряжение тяговой сети поступает на первичную обмотку преобразовательного трансформатора. Тиристорный мост силового блока, под действием импульсов управления, преобразует переменное напряжение вторичной обмотки преобразовательного трансформатора в регулируемое по величине постоянное напряжение, которое подается на двигатели. Импульсы управления поступают на тиристорный мост с выхода системы управления. При работе тиристорного моста в нем происходит коммутация тока, во время которой происходит провал напряжения в тяговой сети, следствием которого является появление высокочастотный колебаний напряжения.
Сигнал с вторичной обмотки датчика напряжения, пропорциональный напряжению в тяговой сети, поступает на вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения блока компенсации. Устройство вычисления переменной составляющей напряжения выделяет из сигнала напряжения тяговой сети первую гармоническую составляющую, которая совпадает с моментами естественного перехода напряжения через ноль. Элемент сравнения блока компенсации вычисляет разность текущего значения напряжения на токоприемнике и его первой гармоники, в результате чего на выходе элемента сравнения формируется сигнал, пропорциональный высокочастотным колебаниям напряжения в тяговой сети. Этот сигнал, преобразованный дельта-модулятором блока компенсации, поступает на вход автономного инвертора напряжения, который генерирует во вторичную обмотку трансформатора тока высокочастотную гармонику тока, пропорциональную высокочастотным колебаниям напряжения в тяговой сети. Сгенерированная высокочастотная гармоника тока передается в первичную обмотку трансформатора тока, где она противофазно складывается со свободными высокочастотными колебаниями тока, протекающими в тяговой сети. Сгенерированные гармоники тока приводят к компенсации свободных колебаний тока в тяговой сети и, соответственно, к компенсации свободных колебаний напряжения в тяговой сети, повышая синусоидальность формы напряжения в тяговой сети. Повышение синусоидальности формы напряжения в тяговой сети приводит к уменьшению потерь напряжения, в результате чего увеличивается мощность электровоза.
Достоинство известного устройства заключается в увеличении мощности электровоза до номинальной величины при относительно небольших искажениях напряжения в тяговой сети. Это обусловлено тем, что потери напряжения в тяговой сети, вызываемые искажением напряжения, будут уменьшаться за счет генерации высокочастотной гармоники тока в тяговую сеть, компенсирующей искажения напряжения.
Однако когда электровоз работает на большой реализуемой мощности и при большом удалении от тяговых подстанций, то в тяговой сети возникают высокочастотные колебания напряжения с относительно большей величиной, нежели при других условиях работы электровоза. При таком режиме известное устройство не способно в полной мере компенсировать искажения напряжения в тяговой сети и тем самым повысить мощность электровоза, что является недостатком известного устройства.
Это обусловлено недостаточной величиной генерируемой гармоники тока компенсации вследствие наличия дополнительной индуктивности в цепи протекания этой гармоники (индуктивность силового блока). В связи с этим при больших амплитудах высокочастотных колебаний напряжения эта гармоника лишь частично устраняет высокочастотные колебания напряжения в тяговой сети. Часть высокочастотных колебаний напряжения остаются в тяговой сети, т.е. форма напряжения в тяговой сети остается искаженной. Это приводит к потерям напряжения и, как следствие, к понижению мощности электровоза.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для преобразования формы напряжения потребителя, позволяющего повысить мощность электровоза за счет уменьшения времени коммутации, а также за счет улучшения формы напряжения как при больших, так и небольших искажениях напряжения в тяговой сети.
Для решения поставленной задачи в устройстве для преобразования формы напряжения потребителя, содержащем блок компенсации, состоящий из последовательно соединенных устройства вычисления переменной составляющей напряжения, элемента сравнения, дельта модулятора и источника тока компенсации, в котором вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения объединен со вторым входом элемента сравнения и является входом блока компенсации, а выход источника тока компенсации - выходом блока компенсации, силовой блок из последовательно соединенных преобразовательного трансформатора, тиристорного моста и двигателя, в котором первичная обмотка преобразовательного трансформатора является первым входом силового блока, второй вход тиристорного моста - вторым входом силового блока, а выход двигателя заземлен, систему управления, датчик напряжения и связующий трансформатор, при этом первичная обмотка датчика напряжения включена между тяговой сетью и «землей», вторичная обмотка датчика напряжения связана с входом блока компенсации, первый вывод первичной обмотки связующего трансформатора связана с тяговой сетью, второй вход силового блока соединен с выходом системы управления, выход блока компенсации соединен с вторичной обмоткой связующего трансформатора, в нем в качестве источника тока компенсации выбран четырехквадрантный преобразователь, в качестве связующего трансформатора - трансформатор напряжения, при этом второй вывод первичной обмотки трансформатора напряжения соединен с землей, а первый вход силового блока присоединен к сети.
Выбор в устройстве для преобразования формы напряжения потребителя в качестве источника тока компенсации четырехквадрантного преобразователя, а в качестве связующего трансформатора - трансформатора напряжения, и соединение второго вывода первичной обмотки трансформатора напряжения с землей, а первого входа силового блока - к сети отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков заявляемого решения свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Выбор в устройстве для преобразования формы напряжения потребителя в качестве источника тока компенсации четырехквадрантного преобразователя, а в качестве связующего трансформатора - трансформатора напряжения, и соединение второго вывода первичной обмотки трансформатора напряжения с землей приводит к повышению мощности электровоза за счет уменьшения времени коммутации, а также за счет улучшения формы напряжения как при больших, так и небольших искажениях напряжения в тяговой сети.
Повышение мощности электровоза за счет улучшения формы напряжения обусловлено непосредственным поступлением сгенерированного тока в тяговую сеть приводящим к уменьшению амплитуд свободных высокочастотных колебаний тока в тяговой сети независимо от величины этих амплитуд.
Повышение мощности электровоза за счет уменьшения времени коммутации обусловлено параллельной работой трансформатора напряжения с тяговой сетью, приводящей к дополнительному увеличению мощности тяговой сети во время коммутации и, как следствие, к уменьшению провала напряжения во время коммутации и к сокращению времени коммутации.
При этом заявляемое устройство способно повышать мощность электровоза на любой реализуемой им мощности, а также при большом удалении электровоза от тяговых подстанций.
Причинно-следственная связь «выбор в устройстве для преобразования формы напряжения потребителя в качестве источника тока компенсации четырехквадрантного преобразователя, а в качестве связующего трансформатора - трансформатора напряжения, и соединение второго вывода первичной обмотки трансформатора напряжения с землей приводит к повышению мощности электровоза за счет улучшения формы напряжения как при больших, так и небольших искажениях напряжения в тяговой сети» явным образом следует из уровня техники.
Однако причинно-следственная связь «выбор в устройстве для преобразования формы напряжения потребителя в качестве источника тока компенсации четырехквадрантного преобразователя, а в качестве связующего трансформатора - трансформатора напряжения, и соединение второго вывода первичной обмотки трансформатора напряжения с землей приводит к повышению мощности электровоза за счет уменьшения времени коммутации» явным образом не следует из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его воплощения, подтверждающего соответствие заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «промышленная применимость» со ссылками на сопровождающие чертежи.
На фиг.1 представлены схема заявляемого устройства.
На фиг.2 представлена сильно искаженная форма напряжения в контактной сети при работе электровоза с зонно-фазным регулированием напряжения на тяговых двигателях, полученная в результате математического моделирования (2,а - форма напряжения на токоприемнике штатного электровоза, 2,б - форма напряжения на токоприемнике электровоза, оборудованного предлагаемым устройством).
Устройство для преобразования формы напряжения потребителя содержит блок компенсации 1, датчик напряжения 2, трансформатор напряжения 3 (связующий трансформатор), силовой блок 4 и систему управления 5.
Блок компенсации 1 включает в себя последовательно соединенные устройство вычисления переменной составляющей напряжения 6, элемент сравнения 7, дельта-модулятор 8 и источник тока компенсации 9. В качестве источника тока компенсации 9 использован четырехквадрантный преобразователь. Вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения 6 является входом блока компенсации 1, а выход четырехквадрантного преобразователя 9 - его выходом.
Силовой блок 4 состоит из последовательно соединенных преобразовательного трансформатора 10, тиристорного моста 11 и двигателя 12.
В качестве связующего трансформатора выбран трансформатор напряжения 3.
Первичная обмотка датчика напряжения 2 включена между сетью (тяговая сеть) и «землей», вторичная обмотка датчика напряжения 2 связана с входом устройства вычисления переменной составляющей напряжения 6 и вторым входом элемента сравнения 7 блока компенсации 1. Первичная обмотка трансформатора напряжения 5 включена между сетью и «землей», вторичная обмотка трансформатора напряжения соединена с четырехквадрантным преобразователем 9 блока компенсации 1. Выход системы управления 5 соединен с управляющим входом тиристорного моста 11.
Тиристорный мост 11 выполнен на базе силовых тиристоров типа ТЛ830, система управления 5 реализована на базе логических элементов средней степени интеграции, датчик напряжения 2 представляет собой датчик переменного напряжения с аналоговым выходом, основу устройства вычисления переменной составляющей напряжения 2, элемента сравнения 7 и дельта-модулятора 8 составляют операционные усилители типа К140УД7, четырехквадрантный преобразователь выполнен из IGBT-транзисторов типа МТКИ-300-12К и силового полярного конденсатора, выполненного по технологии РСС-НР.
Устройство для преобразования формы напряжения потребителя работает следующим образом.
Переменное напряжение сети поступает на первичную обмотку преобразовательного трансформатора 10 силового блока 4. Тиристорный мост 11 силового блока 4, управляемый системой управления 5, преобразует переменное напряжение вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 10 в регулируемое по величине постоянное напряжение, которое подается на двигатель 12 силового блока 4. При этом импульсы системы управления 5 регулируют уровень напряжения, подаваемого на двигатель 12. При работе тиристорного моста 11 в нем происходит коммутация тока, во время которой происходит провал напряжения в тяговой сети, следствием которого является появление высокочастотный колебаний напряжения. При этом чем больше провал напряжения, тем больше время коммутации.
Сигнал с вторичной обмотки датчика напряжения 2, пропорциональный напряжению сети (напряжение на токоприемнике), поступает на вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения 6 блока компенсации 1. Устройство вычисления переменной составляющей напряжения 6 выделяет из сигнала напряжения тяговой сети первую гармоническую составляющую, которая совпадает с моментами естественного перехода напряжения через ноль. Элемент сравнения 7 блока компенсации 1 вычисляет разность текущего значения напряжения на токоприемнике и его первой гармоники. В результате на выходе элемента сравнения 7 формируется сигнал, пропорциональный отклонению формы напряжения на токоприемнике электровоза от формы синусоиды. Форма сигнала с выхода элемента сравнения 7 является формой гармоники тока, которую необходимо сгенерировать на выходе блока компенсации 1 для подавления высокочастотных колебаний в контактной сети. Сигнал с выхода элемента сравнения 7 поступает на дельта-модулятор 8 блока компенсации 1, после которого сигнал поступает на четырехквадрантный преобразователь 9 блока компенсации 1. Четырехквадрантный преобразователь 9 генерирует ток компенсации необходимой формы в трансформатор напряжения 3. Сгенерированный ток через трансформатора напряжения 3 передается непосредственно в тяговую сеть, где он противофазно складывается со свободными высокочастотными колебаниями тока в тяговой сети, уменьшая их амплитуду. При уменьшении высокочастотных колебаний тока в тяговой сети происходит уменьшение высокочастотных колебаний напряжения, что улучшает синусоидальность формы напряжения в тяговой сети. В результате потери напряжения в тяговой сети уменьшаются, что приводит к увеличению мощности электровоза до номинальной величины.
При этом непосредственное протекание тока компенсации в тяговую сеть, приводящее к обеспечению возможности генерировать гармонику тока практически любой амплитуды четырехквадрантным преобразователем 9, позволяет увеличивать мощность электровоза как при больших, так и небольших искажениях напряжения в тяговой сети.
Одновременно с этим происходит уменьшение провала напряжения во время коммутации, что приводит к уменьшению времени коммутации, вследствие чего обеспечивается дополнительное увеличение мощности электровоза. Уменьшение провала напряжения во время коммутации происходит вследствие параллельной работы тяговой сети и трансформатора напряжения. Объясняется это тем, что во время коммутации трансформатор напряжения выделяет дополнительную мощность, которая препятствует большому провалу напряжения.
м
Как известно, коэффициент мощности определяется по формуле: К=v·cos(α+γ/2), где v - коэффициент формы тока; α - угол регулирования; γ - угол коммутации (время коммутации). Таким образом, при уменьшении времени коммутации коэффициент мощности электровоза повышается.
Математическое моделирование штатного электровоза ЭП1, оборудованного заявляемым устройством, показало, что по сравнению с прототипом время фазной коммутации уменьшается на 15-20%, коэффициент мощности электровоза увеличивается на 2-3%, а ток тяговых двигателей увеличивается на 0,3-0,8%.
Из фиг.2 видно, что при работе электровоза с заявляемым устройством (кривая б) в форме напряжения на его токоприемнике практически полностью устраняются искажения. При этом форма напряжения, представленная на фиг.2,б соответствует нормам стандарта ГОСТ 13109-97, в отличие от формы напряжения, представленной на фиг.2,а, которая значительно превышает установленные нормы.