ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНО-ПОСТОЯННОГО ТОКА
MONOPHASE 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 непроизводительной реактивной мощности и загрузке тяговой сети реактивным током. Коэффициент мощности современных электровозов с плавным регулированием напряжения достигает 0,84 лишь в конце 4 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 угол, необходимый для открытия тиристоров,
γ - угол, характеризующий продолжительность коммутации тока в тиристорах преобразователя.
м
0
м
0
Таким образом, коэффициент мощности к зависит от минимального нерегулируемого угла открытия тиристоров α, продолжительности коммутации γ и от формы выпрямленного тока. Повышение к всевозможно, в частности, за счет уменьшения минимального нерегулируемого угла открытия тиристоров α.
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, сглаживающий реактор и двигатель. Трансформатор имеет три вторичные обмотки. Выпрямительно-инверторный преобразователь представляет собой совокупность восьми полупроводниковых плеч вентилей, которые образуют схемы 1-4 зон регулирования. Половина полупроводниковых плеч вентилей соединена анодами и образует анодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя, другая половина полупроводниковых плеч вентилей соединена катодами и образует катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя. Каждое полупроводниковое плечо вентилей состоит из n ветвей, каждое из которых содержит m последовательно включенных вентилей, а именно - 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.
0
0з
рег
рег
рег
рег
рег
Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямительно-инверторного преобразователя. Выпрямительно-инверторный преобразователь преобразует переменное напряжение вторичной обмотки 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 α, а также регулируемых по фазе импульсов 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 системы управления электровоза. Величина выпрямленного напряжения определяется фазой регулируемых по фазе импульсов α. Импульсы управления α подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя в соответствии с номером зоны регулирования. При подаче импульсов α на очередные тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя происходит дополнительное подключение к цепи двигателя секции вторичной обмотки трансформатора и, соответственно, увеличение на нем 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 секций вторичной обмотки 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 α, составляющим в выпрямительно-инверторном преобразователе электровоза переменного тока 9±2 эл.град. При работе выпрямительно-инверторного преобразователя на интервале времени 0-α в форме выпрямленного напряжения образуются участки отрицательного напряжения.
рег
Достоинство известного устройства заключается в повышенной силе тяги электровоза и весе поезда, что обусловлено плавным изменением фазы регулирующих 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 известное устройства имеет недостаточно высокие энергетические показатели: коэффициент мощности преобразователя и уровень напряжения на двигателе.
0
0
Пониженное напряжения на двигателе обусловлено тем, что в форме выпрямленного напряжения, подаваемого на двигатели, образуются в начале каждого полупериода участки с отрицательным напряжением. Участки отрицательного напряжения снижают среднее значение выпрямленного напряжения. Продолжительность участков с отрицательным напряжением определяется углом управления α. Чем больше угол α, тем меньше среднее значение выпрямленного напряжения на двигателе.
0
м
Кроме того, задержка открытия тиристоров на угол α (формула 2) приводит к увеличению угла сдвига φ первой гармоники потребляемого тока от питающего напряжения и, соответственно, уменьшению (формула 1) cos φ и коэффициента мощности к электровоза.
Наиболее близким по техническим решениям и достигаемому результату является преобразователь однофазно-постоянного тока [Власьевский С.В. и др. Дальневосточный государственный университет путей сообщения на пути содействия инновационному развитию, Наука и транспорт, 2008, с.58-62], который содержит трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, обратный вентиль, сглаживающий реактор и двигатель. Трансформатор имеет три вторичные обмотки. Выпрямительно-инверторный преобразователь представляет собой совокупность восьми полупроводниковых плеч вентилей, которые образуют схемы 1-4 зон регулирования. Половина полупроводниковых плеч вентилей соединена анодами и образует анодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя, другая половина полупроводниковых плеч вентилей соединена катодами и образует катодную группу выпрямительно-инверторного преобразователя. Каждое полупроводниковое плечо вентилей состоит из n ветвей, каждое из которых содержит m последовательно включенных вентилей, а именно - 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. Анод обратного вентиля соединен с анодной группой, а катод - с катодной группой выпрямительно-инверторного преобразователя. Между выводами анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя включены последовательно соединенные сглаживающий реактор и двигатель.
0
0з
Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямительно-инверторного преобразователя. Выпрямительно-инверторный преобразователь преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора в постоянное по величине и плавно регулируемое по фазе выпрямленное напряжение пульсирующей формы. В режиме тяги выпрямленное напряжение формируется под действием нерегулируемых по фазе импульсов управления α, задержанных по фазе импульсов α, а также регулируемых по фазе импульсов
рег
рег
рег
рег
рег
α. Импульсы управления подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя от системы управления электровоза. Величина выпрямленного напряжения на двигателе определяется фазой импульсов α. Импульсы управления α подаются на тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя в соответствии с зоной регулирования. При подаче импульсов α на очередные тиристоры выпрямительно-инверторного преобразователя происходит дополнительное подключение к цепи двигателя секции вторичной обмотки трансформатора и, соответственно, увеличение на нем напряжения. Чем раньше от начала полупериода подаются импульсы α, тем выше становится уровень напряжения на двигателе электровоза.
0
0з
В начале каждого полупериода производится выключение из работы одной из секций вторичной обмотки трансформатора с помощью импульсов управления α и α. Это уменьшает величину выпрямленного напряжения на двигателе. Под действием сформированного 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
При работе на каждой зоне регулирования на интервалах с положительной величиной выпрямленного напряжения обратный вентиль находится в закрытом состоянии под действием выпрямленного напряжения. На интервалах 0-α с отрицательными значениями выпрямленного напряжения обратный вентиль переходит в проводящее состояние. На этих интервалах ток двигателя замыкается через обратный вентиль, а выпрямленное напряжение на двигателе определяется падением напряжения на обратном вентиле, находящемся в открытом состоянии. Поскольку это напряжение близко к нулю, вместо интервалов с отрицательным напряжением образуются интервалы с нулевым напряжением. Вследствие чего на двигатель поступает напряжение, среднее значение которого увеличено за счет исключения участков с отрицательным напряжением.
0
0з
0
0з
0
Для открытия тиристора 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 уровень напряжения между анодом и катодом тиристоров. Эта задержка открытия тиристоров определяется углом α, составляющим в выпрямительно-инверторном преобразователе электровоза переменного тока 9±2 эл.град.
Достоинство известного преобразователя однофазно-постоянного тока заключается в том, что сила тяги электровоза и вес перевозимого им поезда остаются достаточно высокими.
Другим достоинством преобразователя является повышенный уровень напряжения на двигателе, достигаемый за счет исключения участков с отрицательным напряжением в выпрямленном напряжении, что приводит к повышению среднего значения выпрямленного напряжения, подаваемого на двигатель.
м
0
м
Однако значение коэффициента мощности к преобразователя остается на недостаточно высоком уровне. Это обусловлено тем, что минимальный угол открытия тиристоров α выпрямительно-инверторного преобразователя имеет значение 9±2 эл.град. Это приводит к тому, что ток, потребляемый электровозом, отстает от питающего напряжения на некоторый угол φ и вызывает уменьшение cos φ и, соответственно, коэффициента мощности к преобразователя.
м
0
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке преобразователя однофазно-постоянного тока, обладающего повышенным значением cos φ и, как следствие, повышенным значением коэффициента мощности к преобразователя за счет уменьшения минимального угла открытия тиристоров α при сохранении высокого уровня напряжения на двигателе.
Для решения поставленной задачи в преобразователе однофазно-постоянного тока, содержащем трансформатор с тремя вторичными обмотками, выпрямительно-инверторный преобразователь с не менее четырьмя полупроводниковыми плечами вентилей, образующих одну и более зон регулирования, 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, первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети переменного тока, выводы его вторичной обмотки - 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, при этом каждое полупроводниковое плечо вентилей включает n ветвей, каждая из которых содержит m последовательно включенных вентилей, в выпрямительно-инверторном преобразователе каждая ветвь полупроводникового плеча представляет собой один тиристор и m-1 диод.
Наличие существенного отличительного признака «каждая ветвь полупроводникового плеча представляет собой один тиристор и m-1 диод» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
м
Выполнение каждой ветви полупроводникового плеча в виде последовательно соединенных одного тиристора и m-1 диодов приводит к повышению cos φ и, как следствие, коэффициента мощности к преобразователя.
0
0
м
м
Это обусловлено тем, что для включения полупроводникового плеча вентилей, состоящего из одного тиристора и (m-1) диода, требуется меньшее напряжение. При подаче в начале полупериода импульса α к полупроводниковому плечу вентилей прикладывается прямое анодное напряжение вторичной обмотки трансформатора, которое распределяется между 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 линейную форму напряжения вторичной обмотки трансформатора на интервале 0-α(0-9 эл.град.). В этом случае в соответствии с формулой 2 уменьшение угла  приводит к уменьшению фазового угла сдвига φ между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока и, соответственно, к увеличению cos φ. В свою очередь увеличение cos φ приводит к увеличению (формула 1) коэффициента мощности к преобразователя электровоза. Следовательно, выполнение полупроводникового плеча вентилей в виде одного тиристора и включенных последовательно с ним (m-1) диодов приводит к увеличению cos φ и к электровоза.
м
Выполнение каждой ветви полупроводникового плеча в виде последовательно соединенных одного тиристора и m-1 диодов приводит к повышению cos φ и, как следствие, коэффициента мощности к преобразователя.
Причинно-следственная связь «Выполнение каждой ветви полупроводникового плеча из одного тиристора и m-1 диодов в преобразователе приводит к повышению его коэффициента мощности» явным образом не следует из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлена схема одного силового блока преобразователя однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ85.
На фиг.2 представлена схема полупроводникового плеча вентилей преобразователя однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ85.
Преобразователь однофазно-постоянного тока содержит трансформатор 1, выпрямительно-инверторный преобразователь 2, сглаживающий реактор 3 и двигатель 4. Выпрямительно-инверторный преобразователь 2 представляет собой совокупность с не менее четырьмя полупроводниковыми плечами вентилей 5, образующих одну и более зон регулирования. Каждое полупроводниковое плечо вентилей 5 включает n ветвей, каждая из которых содержит собой один тиристор 6 и m-1 диод 7.
Преобразователь однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ85 имеет восемь полупроводниковых плеч вентилей 5, образующих четыре зоны регулирования, а каждая ветвь полупроводникового плеча вентилей 5 содержит один тиристор 6 и четыре диода 7.
Преобразователь однофазно-постоянного тока электровоза ЭП1 имеет восемь полупроводниковых плеч вентилей 5, образующих четыре зоны регулирования, а каждая ветвь полупроводникового плеча вентилей 5 содержит один тиристор 6 и три диода 7.
Первичная обмотка трансформатора 1 подключена к питающей сети переменного тока. Вторичная обмотка трансформатора 1 содержит три секции. Выводы вторичной обмотки 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 3 и двигатель 4.
В преобразователе однофазно-постоянного тока трансформатор электровоза ВЛ85, сглаживающий реактор и двигатель являются типовыми узлами электровоза переменного тока. В выпрямительно-инверторном преобразователе использованы тиристоры Т353-800-28-80 УХЛ2 28 класса, рассчитанные на прямой анодный ток 800 А. В каждую ветвь полупроводникового плеча вентилей последовательно с тиристором включены два диода ВЛ800, 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 6 переключают секции I, II, III вторичных обмоток трансформатора 1 при подаче на них импульсов управления α, α и α. При открытии тиристора 6 ветви диоды 7 этой же ветви переходят в проводящее состояние.
При одновременном открытии n ветвей вентилей полупроводникового плеча 5 оно переходит в проводящее состояние.
Все импульсы управления подаются на тиристоры 6 выпрямительно-инверторного преобразователя от системы управления электровоза (на фиг. не показана) в зависимости от зоны регулирования.
2
рег
0
2
рег
0
В этом случае в режиме тяги на первой зоне регулирования при положительной полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора 1 (u>0) регулируемые по фазе импульсы α подаются на тиристоры 6 четвертого (V4) и пятого (V5) полупроводниковых плеч вентилей 5 анодной и катодной групп выпрямительно-инверторного преобразователя 2, а нерегулируемые по фазе импульсы α - на тиристоры 6 пятого (V5) полупроводникового плеча вентилей катодной группы. При отрицательной полярности (u<0) напряжения вторичной обмотки трансформатора импульсы α подаются на тиристоры 6 полупроводникового плеча вентилей V6 анодной группы, а импульсы α - на тиристоры 6 плеча V3 катодной группы. Под действием этих импульсов управления из напряжения секции I (фиг.1) вторичной обмотки трансформатора формируется выпрямленное напряжение на двигателе электровоза.
2
рег
0
0з
2
рег
0
0з
На второй зоне регулирования при u>0 регулируемые по фазе импульсы управления α поступают на тиристоры 6 полупроводникового плеча вентилей V2 анодной группы, нерегулируемые по фазе импульсы α - на тиристоры 6 плеча вентилей V5 катодной группы и задержанные по фазе импульсы α - на тиристоры 6 полупроводникового плеча вентилей V4 анодной группы. При смене полярности напряжения (u<0) импульсы α подаются на тиристоры 6 плеча вентилей V1 катодной группы, импульсы α - на тиристоры 6 плеча V6 анодной группы, а импульс α - на тиристоры 6 полупроводникового плеча вентилей V3 катодной группы выпрямительно-инверторного преобразователя 2.
0
0з
рег
рег
0
0з
Под действием импульсов управления α, α и α формируется выпрямленное напряжение на двигателе из напряжения секций I и II вторичных обмоток трансформатора 1. После подачи импульсов управления α к напряжению секции I добавляется напряжение секции II вторичной обмотки трансформатора. Вместе с тем, в начале каждого полупериода величина выпрямленного напряжения уменьшается. Уменьшение напряжения происходит за счет вывода из работы одной из секций вторичной обмотки трансформатора 1 при подаче импульсов α и α на тиристоры 6 полупроводникового вентильного плеча 5.
Аналогично производится управление полупроводниковыми вентильными плечами 5 выпрямительно-инверторного преобразователя 2 на третьей и четвертой зонах регулирования.
Под действием выпрямленного напряжения в цепи двигателя 4 протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. Сглаживающий реактор 3 уменьшает уровень пульсаций выпрямленного тока до приемлемой для работы двигателя величины.
0
0з
0
0з
Для открытия тиристоров 6 выпрямительно-инверторного преобразователя 2 требуется некоторый уровень напряжения между его анодом и катодом. Поскольку импульсы управления α и α подаются на тиристоры 6 в начале полупериода, открытие тиристоров 6 выпрямительно-инверторного преобразователя 2 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. При выполнении полупроводникового плеча вентилей 5 в виде одного тиристора 6 и последовательно включенных с ним (m-1) диодов 7 задержка открытия тиристоров определяется меньшим углом , составляющим (9±2)/m эл.град.
м
Благодаря уменьшению минимального угла открытия тиристоров  переключение тиристоров 6 полупроводниковых плеч вентилей происходит раньше. Это вызывает более раннее изменение направления тока в первичной обмотке трансформатора 1, измеряемое углом φ. Уменьшение фазового угла сдвига φ между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока приводит к увеличению cos φ и, соответственно, к повышению коэффициента мощности преобразователя электровоза к.
Кроме того, уменьшение нерегулируемого угла задержки  до (9±2)/m уменьшает участки отрицательного напряжения в форме выпрямленного напряжения, при этом среднее значения выпрямленного напряжения повышается и становится достаточно высоким.
0
Испытания заявляемого преобразователя однофазно-постоянного тока на электровозе ВЛ85 в локомотивном депо Белогорск Забайкальской железной дороги показали, что минимальный угол открытия тиристоров α можно уменьшать до 1-1,5 эл.град. При этом обеспечивается устойчивая работа электровоза на всех зонах регулирования, а коэффициент мощности увеличился в среднем до 0,92.