ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНО-ПОСТОЯННОГО ТОКА
SINGLE-PHASE-DIRECT CURRENT CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для электроподвижного состава переменного тока с плавным регулированием напряжения.
В настоящее время электровозы переменного тока с плавным регулированием напряжения работают с низким значением коэффициента мощности, что приводит к потреблению ими непроизводительной реактивной мощности и загрузке тяговой сети реактивным током. Коэффициент мощности современных электровозов с плавным регулированием напряжения достигает 0,84 лишь в конце 4-ой зоны регулирования.
Известно, что коэффициент мощности преобразователя однофазно-постоянного тока в общем случае определяется по формуле:
где ϕ - угол сдвига между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока,
ν - коэффициент искажения формы потребляемого тока.
Угол ϕ для многозонного преобразователя рассчитывается по приближенной формуле [Руденко B.C. и др. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1980. - 424 с.]:
0
где α - минимальный нерегулируемый по фазе угол управления, необходимый для открытия тиристоров,
γ - угол, характеризующий продолжительность процесса коммутации в тиристорах преобразователя электровоза.
м
0
Таким образом, коэффициент мощности К электровоза зависит от минимального нерегулируемого по фазе угла открытия тиристоров α, продолжительности процесса коммутации γ и от формы выпрямленного тока.
Известен преобразователь однофазно-постоянного тока [Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Б.А. Тушканов и др. - М.: Транспорт, 1992, - 480 с.], который содержит трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем, сглаживающий реактор и двигатель. Трансформатор имеет одну первичную и три вторичные обмотки. Выпрямительно-инверторный преобразователь представляет собой совокупность из восьми плеч полупроводниковых тиристоров, которые образуют конфигурации схем 1-4 зон регулирования. Половина плеч полупроводниковых тиристоров соединена анодами и образует анодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя, другая половина плеч полупроводниковых тиристоров соединена катодами и образует катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя. Каждое плечо полупроводниковых тиристоров состоит из n параллельных ветвей, каждая из которых содержит m последовательно включенных тиристоров.
Первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока. Выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя. Между выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя включены последовательно соединенные сглаживающий реактор и двигатель. Выходы блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем соединены с соответствующими входами тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя.
Преобразователь однофазно-постоянного тока работает следующим образом.
0
0з
рег
рег
рег
рег
Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямительно-инверторного преобразователя. Выпрямительно-инверторный преобразователь преобразует переменное напряжение вторичных обмоток трансформатора в постоянное по величине и плавно регулируемое по фазе выпрямленное напряжение пульсирующей формы. В режиме тяги выпрямленное напряжение, поступающее на двигатель, формируется под действием нерегулируемых по фазе импульсов управления α, задержанных по фазе импульсов управления α, а также регулируемых по фазе импульсов управления α [Кулинич Ю.М. Устройство и работа выпрямительно-инверторного преобразователя. - Локомотив, 2001, №1, с. 14-18]. Импульсы управления подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя от блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем. Величина выпрямленного напряжения определяется фазой регулируемых по фазе импульсов управления α, которые подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя в соответствии с номером зоны регулирования. При подаче регулируемых по фазе импульсов управления α на очередные тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя происходит дополнительное подключение к цепи двигателя вторичных обмоток трансформатора и, соответственно, увеличение на нем уровня напряжения. Чем раньше от начала полупериода подаются импульсы α, тем выше уровень напряжения на двигателе электровоза.
0
0з
С помощью импульсов управления α и α происходит уменьшение в начале каждого полупериода величины выпрямленного напряжения. Уменьшение напряжения происходит за счет вывода из работы одной из вторичных обмоток трансформатора. Под действием выпрямленного напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. Сглаживающий реактор уменьшает уровень пульсаций выпрямленного тока до приемлемой для работы двигателя величины.
0
0з
0
0з
0
0
Для открытия тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя требуется некоторый уровень напряжения между его анодом и катодом. Поскольку импульсы управления α и α подаются на тиристоры в начале полупериода, открытие тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя импульсами α и α осуществляется с некоторой задержкой относительно начала полупериода сетевого напряжения, при котором достигается необходимый для их открытия уровень напряжения между анодом и катодом. Эта задержка открытия тиристоров определяется углом управления α=9±2 эл. град., которая установлена на электровозе переменного тока для величины номинального напряжении 25000 В на первичной обмотке трансформатора. При работе выпрямительно-инверторного преобразователя на интервале времени 0-α в форме выпрямленного напряжения образуются участки напряжения отрицательной полярности.
рег
Достоинство известного преобразователя заключается в повышенной силе тяги электровоза и весе поезда, что обусловлено плавным изменением фазы регулируемых по фазе импульсов α, подаваемых на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя. Благодаря плавному регулированию выпрямленного напряжения, подаваемого на двигатель, осуществляется плавное изменение силы тяги локомотива, что позволяет более полно реализовать его сцепные свойства и, соответственно, увеличить силу тяги электровоза и вес поезда.
Однако известный преобразователь имеет недостаточно высокие энергетические показатели: коэффициент мощности преобразователя и уровень напряжения на двигателе.
0
0
Пониженное напряжение на двигателе обусловлено тем, что в форме выпрямленного напряжения, подаваемого на двигатели, в начале каждого полупериода образуются участки напряжения отрицательной полярности. Участки напряжения отрицательной полярности снижают среднее значение выпрямленного напряжения. Продолжительность этих участков определяется углом управления α, т.е. чем больше угол α, тем меньше среднее значение выпрямленного напряжения на двигателе.
0
м
Кроме того, задержка открытия тиристоров на угол α, в соответствии с выражением (2), приводит к увеличению угла сдвига ϕ первой гармоники потребляемого тока от питающего напряжения и, соответственно, уменьшению (выражение 1) cosϕ и коэффициента мощности К электровоза.
Наиболее близким по техническим решениям и достигаемому результату является преобразователь однофазно-постоянного тока [А.С. №2368060 Преобразователь однофазно-постоянного тока. Автор изобретения Ю.М. Кулинич. - Опубл. в Б.И. №26 2009 г. МКИ Н02М 7/162], который содержит трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем, сглаживающий реактор и двигатель. Трансформатор имеет одну первичную и три вторичные обмотки. Выпрямительно-инверторный преобразователь представляет собой совокупность из восьми плеч полупроводниковых тиристоров, которые образуют конфигурации схем 1-4 зон регулирования. Половина плеч полупроводниковых тиристоров соединена анодами и образует анодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя, другая половина плеч полупроводниковых тиристоров соединена катодами и образует катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя. Каждое полупроводниковых плечо состоит из n параллельных ветвей, каждая из которых представляет собой один тиристор и m-1 диод.
Первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока. Выводы вторичных обмоток трансформатора подключены к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя. Между выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя включены последовательно соединенные сглаживающий реактор и двигатель. Выходы блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем соединены с соответствующими входами тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя.
Преобразователь однофазно-постоянного тока работает следующим образом.
0
0з
рег
рег
рег
рег
Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямительно-инверторного преобразователя. Выпрямительно-инверторный преобразователь преобразует переменное напряжение вторичных обмоток трансформатора в постоянное по величине и плавно регулируемое по фазе выпрямленное напряжение пульсирующей формы. В режиме тяги выпрямленное напряжение, поступающее на двигатель, формируется под действием нерегулируемых по фазе импульсов управления α, задержанных по фазе импульсов управления α, а также регулируемых по фазе импульсов управления α. Импульсы управления подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя от блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем. Величина выпрямленного напряжения определяется фазой регулируемых по фазе импульсов управления α, которые подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя в соответствии с номером зоны регулирования. При подаче регулируемых по фазе импульсов управления α на очередные тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя происходит дополнительное подключение к цепи двигателя вторичной обмотки трансформатора и, соответственно, увеличение на нем уровня напряжения. Чем раньше от начала полу периода подаются импульсы α, тем выше уровень напряжения на двигателе электровоза.
0
0з
С помощью импульсов управления α и α происходит уменьшение в начале каждого полупериода величины выпрямленного напряжения. Уменьшение напряжения происходит за счет вывода из работы одной из вторичных обмоток трансформатора. Под действием выпрямленного напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. Сглаживающий реактор уменьшает уровень пульсаций выпрямленного тока до приемлемой для работы двигателя величины.
Для открытия тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя требуется некоторый уровень напряжения между его анодом и катодом. Для включения полупроводникового плеча выпрямительно-инверторного преобразователя, состоящего из одного тиристора и m-1 диодов требуется меньшее напряжение.
0
0
м
В начале каждого полупериода с задержкой α=9±2 эл. град, к полупроводниковому плечу выпрямительно-инверторного преобразователя прикладывается прямое анодное напряжение вторичной обмотки трансформатора, которое распределяется между одним тиристором и m-1 диодами. Р-n переходы диодов смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению через них тока, поэтому все напряжение ветви прикладывается к одному тиристору. Поэтому требуемое для его включения напряжение можно достичь при меньшем значении минимального угла открытия тиристоров:  принимая примерно линейной форму напряжения на интервале 0-α. В этом случае, в соответствии с выражением (2), уменьшение угла открытия тиристоров  приводит к уменьшению фазового угла сдвига ϕ между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока и, соответственно, к увеличению cosϕ. В свою очередь увеличение cosϕ приводит к увеличению (выражение 1) коэффициента мощности К преобразователя электровоза.
Уменьшение угла открытия тиристоров  приводит также к увеличению среднего значения выпрямленного напряжения на двигателе, поскольку участки выпрямленного напряжения отрицательной полярности определяются углом управления  т.е. чем меньше угол  тем выше среднее значение выпрямленного напряжения на двигателе.
Достоинство известного преобразователя однофазно-постоянного тока заключается в том, что сила тяги электровоза и вес перевозимого им поезда остаются достаточно высокими.
м
Другим достоинством преобразователя являются его повышенные энергетические показатели: коэффициент мощности К и уровень напряжения на двигателе.
м
м
Однако значение коэффициента мощности К преобразователя и уровень напряжения на двигателе остаются на недостаточно высоком уровне. Это обусловлено тем, что минимальный угол открытия тиристоров  выпрямительно-инверторного преобразователя принят одинаковым на всех зонах регулирования. На высших (2-4) зонах регулирования к тиристорам преобразователя в начале каждого полупериода прикладывается большее по величине напряжение от вторичных обмоток трансформатора, позволяющее включать тиристоры при меньших значениях минимального угла открытия тиристоров. Поэтому управление выпрямительно-инверторным преобразователем при одинаковом угле открытия тиристоров  вызывает уменьшение коэффициента мощности К преобразователя и снижение уровня напряжения на двигателе при работе на высших (2-4) зонах регулирования.
м
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке преобразователя однофазно-постоянного тока, обладающего увеличенным значением cosϕ и, как следствие, повышенным значением коэффициента мощности К преобразователя и увеличенным уровнем напряжения на двигателе при работе на высших (2-4) зонах регулирования за счет уменьшения минимального угла открытия тиристоров.
Для решения поставленной задачи в преобразователь однофазно-постоянного тока, содержащем трансформатор с одной первичной и тремя вторичными обмотками, выпрямительно-инверторный преобразователь с восемью полупроводниковыми плечами вентилей, образующих четыре зоны регулирования, блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем, сглаживающий реактор и двигатель, в котором одна половина полупроводниковых плеч вентилей соединена анодами и образует анодную группу, другая половина - катодами и образует катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока, выводы его вторичных обмоток - к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя, сглаживающий реактор и последовательно соединенный с ним двигатель соединены с выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя, выходы блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем подключены к соответствующим входам тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя, при этом каждое полупроводниковое плечо вентилей включает n параллельных ветвей, каждая из которых содержит m последовательно включенных вентилей, каждая ветвь полупроводникового плеча представляет собой один тиристор и m-1 диод введены датчик напряжения, делитель напряжения, коммутатор, источник опорного напряжения, компаратор и формирователь импульсов, при этом вход датчика напряжения включен параллельно к первичной обмотке трансформатора, а его выход связан с входом делителя напряжения, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами коммутатора, выход коммутатора подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с источником опорного напряжения, выход компаратора через формирователь импульсов соединен с входом блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем, выход которого подключен к второму входу коммутатора.
Введение в преобразователь однофазно-постоянного тока датчика напряжения, делителя напряжения, коммутатора, источника опорного напряжения, компаратора и формирователя импульсов и образование новых взаимосвязей между элементами преобразователя отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
м
Введение в преобразователь однофазно-постоянного тока датчика напряжения, делителя напряжения, коммутатора, источника опорного напряжения, компаратора и формирователя импульсов и образование новых взаимосвязей между элементами преобразователя приводит к повышению коэффициента мощности К преобразователя и увеличению уровня напряжения на двигателе при работе на высших (2-4) зонах регулирования за счет уменьшения минимального угла открытия тиристоров.
м
м
Это обусловлено тем, что в заявляемом преобразователе повышение коэффициента мощности К и увеличение уровня напряжения на двигателе обеспечивается не при одинаковом на всех зонах регулирования минимальном угле открытия тиристоров  а при меньших значениях минимального угла открытия тиристоров на высших (2-4) зонах регулирования. Кроме того, повышение коэффициента мощности К приводит к снижению потерь мощности в сети между электровозом и подстанцией.
м
Причинно-следственная связь «Введение в преобразователь однофазно-постоянного тока датчика напряжения, делителя напряжения, коммутатора, источника опорного напряжения, компаратора и формирователя импульсов и образование новых взаимосвязей между элементами преобразователя приводит к повышению коэффициента мощности К преобразователя и увеличению уровня напряжения на двигателе при работе на высших (2-4) зонах регулирования за счет уменьшения минимального угла открытия тиристоров» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о ее новизне. Наличие новой причинно-следственной связи, проявляемой в заявляемом устройстве, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена схема преобразователя однофазно-постоянного тока, позволяющая раскрыть работоспособность и «промышленную применимость» заявляемого решения.
На фиг. 2 показана схема полупроводникового плеча вентилей преобразователя однофазно-постоянного тока.
На фиг. 3 изображены диаграммы, поясняющие процесс формирования минимальных углов открытия тиристоров.
Преобразователя однофазно-постоянного тока содержит трансформатор 1, выпрямительно-инверторный преобразователь 2, блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем 3, сглаживающий реактор 4, двигатель 5, датчик напряжения 6, делитель напряжения 7, коммутатор 8, компаратор 9, источник опорного напряжения 10 и формирователь импульсов 11.
Выпрямительно-инверторный преобразователь 2 представляет собой совокупность восьми полупроводниковых плеч вентилей 12, образующих четыре зоны регулирования. Каждое полупроводниковое плечо вентилей 12 включает n ветвей, каждая из которых содержит один тиристор 13 и m-1 диод 14.
Первичная обмотка трансформатора 1 подключена к питающей сети переменного тока. Выводы вторичных обмоток трансформатора 1 подключены к общим точкам соединения анодов катодной и катодов анодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя 2. Между выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя 2 включены последовательно соединенные сглаживающий реактор 4 и двигатель 5. Выходы блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем 3 подключены к соответствующим входам тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя 2. Вход датчика напряжения 6 включен параллельно к первичной обмотке трансформатора 1, а его выход связан с входом делителя напряжения 7, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами коммутатора 8, выход коммутатора 8 подключен к первому входу компаратора 9, второй вход которого связан с источником опорного напряжения 10, выход компаратора 9 через формирователь импульсов 11 соединен с входом блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем 3, выход которого подключен к второму входу коммутатора 8.
В преобразователе однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ85 трансформатор, сглаживающий реактор и двигатель являются типовыми узлами электровоза переменного тока. В выпрямительно-инверторном преобразователе использованы тиристоры Т353-800-28-80 УХЛ 2 28 класса по напряжении, рассчитанные на прямой анодный ток 800 А. В каждую ветвь полупроводникового плеча вентилей последовательно с тиристором включены два диода ВЛ 800, рассчитанные на ток 800 А.
Преобразователь однофазно-постоянного тока работает следующим образом.
0
0з
рег
Трансформатор 1 передает переменное напряжение вторичной обмотки необходимого уровня на вход выпрямительно-инверторного преобразователя 2. Тиристоры 13 переключают секции вторичных обмоток трансформатора 1 при подаче на них импульсов управления α, α и α. При открытии тиристора 13 ветви диоды 14 этой же ветви также переходят в проводящее состояние. При одновременном открытии «ветвей вентилей полупроводникового плеча 12 оно переходит в проводящее состояние.
Все импульсы управления подаются на тиристоры 12 выпрямительно-инверторного преобразователя 2 от блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем 3 в зависимости от номера N зоны регулирования.
Под действием выпрямленного напряжения в цепи двигателя 5 протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. Сглаживающий реактор 4 уменьшает уровень пульсаций выпрямленного тока до приемлемой для работы двигателя 5 величины.
1
4
1
4
оп
оп
1
4
к1
к4
к1
к4
Текущее значение сетевого напряжения измеряется датчиком напряжения 6. Выходной сигнал датчика напряжения 6 поступает на вход делителя напряжения 7, на выходе которого формируются четыре синусоидальные сигналы напряжения u-u (фиг. 3, а), соответствующие анодным напряжениям, поступающим на тиристоры 12 на 1-4 зонах регулирования. Коммутатор 8 осуществляет передачу одного из входных сигналов u-u на первый вход коммутатора 9 в зависимости от номера зоны регулирования N выпрямительно-инверторного преобразователя 2. Сигнал номера зоны регулирования N поступает на второй вход коммутатора 8 с выхода блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем 3. Источник опорного напряжения 10 задает уровень анодного напряжения U (фиг. 3, а), необходимый для включения в начале полупериода тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя 2. Компаратор 9 сравнивает опорное напряжение U с сигналами напряжения u-u ив моменты их равенства на выходе образует прямоугольные импульсы напряжения u-u (фиг. 3, б). Формирователь импульсов 11 по фронту входных импульсов u-u формирует в соответствии с номером зоны регулирования импульсы управления  (фиг. 3, в), соответствующие минимальным углам открытия тиристоров. Эти импульсы поступают на вход блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем 3, который в зависимости от номера зоны регулирования N распределяет эти импульсы между соответствующими тиристорами 12 выпрямительно-инверторного преобразователя 2.
1
4
Таким образом, блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем 3 формирует в зависимости от номера зоны регулирования N различные по фазе импульсы управления, соответствующие минимальным углам открытия тиристоров. Из фиг. 3 следует, что чем выше номер зоны регулирования N, тем больше величина напряжения u-u, поступающая на тиристоры 12 выпрямительно-инверторного преобразователя 2 и, соответственно, при этом требуется меньшее значение минимального угла управления, необходимого для их открытия.
м
Благодаря уменьшению минимального угла открытия тиристоров  переключение тиристоров 12 выпрямительно-инверторного преобразователя 2 происходит раньше. Это приводит к более раннему изменению направления тока в первичной обмотке трансформатора 1, определяемое углом ϕ. Уменьшение фазового угла сдвига ϕ между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока приводит к увеличению cosϕ и, соответственно, к повышению коэффициента мощности К преобразователя электровоза.
Кроме того, уменьшение минимального угла открытия тиристоров  уменьшает участки отрицательной полярности в форме выпрямленного напряжения, при этом повышается среднее значение выпрямленного напряжения.
Испытания заявляемого преобразователя однофазно-постоянного тока на электровозе ВЛ65 в локомотивном депо Белогорск Забайкальской железной дороги показали, что минимальный угол открытия тиристоров можно уменьшить с 9,0 до 2-2,5 эл. град, при работе электровоза на четвертой зоне регулирования. При этом обеспечивается устойчивая работа локомотива на всех зонах регулирования, а коэффициент мощности увеличился в среднем до 0,94.