ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНО-ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике и предназначена для использования в устройствах, имеющих в своем составе выпрямительно-инверторные преобразователи, в частности, на электроподвижном составе переменного тока.
В настоящее время работа электровозов переменного тока сопровождается значительной величиной пульсаций выпрямленного тока, приводящей к искрению на коллекторе тягового двигателя, которое приводит к круговому огню и выходу двигателя из строя. Кроме того, повышенные пульсации выпрямленного тока приводят к увеличению потребляемого электровозом тока и увеличению расхода электрической энергии.
Известен преобразователь однофазно-постоянного тока электровоза ВЛ85 [1], который содержит многообмоточный трансформатор и три блока выпрямления. Каждый блок выпрямления содержит компенсатор, выпрямитель, сглаживающий реактор и двигатель постоянного тока. Двигатель содержит последовательно включенные обмотки якоря и возбуждения. Компенсатор выполнен из последовательно включенных конденсатора, индуктивности и двух встречно-параллельно включенных тиристора. Обмотка сглаживающего реактора каждого блока выпрямления выполнена на отдельном магнитопроводе.
Первичная обмотка трансформатора подключена к сети. Вторичные обмотки трансформатора подключены параллельно выпрямителю и компенсатору каждого блока выпрямления. Выход выпрямителя каждого блока выпрямления связан с последовательно соединенными сглаживающим реактором и двигателем.
Устройство работает следующим образом. Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход каждого блока выпрямления, работающих автономно. Выпрямитель каждого блока выпрямления преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора,
при этом на выходе выпрямителя формируется постоянное по величине напряжение пульсирующей формы. Под действием этого напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. В обмотке сглаживающего реактора под действием выпрямленного напряжения возникает э.д.с. самоиндукции. На интервалах увеличения выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, направленная встречно напряжению, замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока. В это время в реакторе происходит запасание магнитной энергии. При уменьшении выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, изменяющая направление на противоположное, поддерживает ток в цепи двигателя за счет энергии, запасенной в сглаживающем реакторе на предыдущем интервале времени.
Компенсатор создает емкостную составляющую тока, которая протекает в противофазе с индуктивным током нагрузки. Емкостная составляющая тока компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки. В этом случае фаза потребляемого тока приближается к питающему напряжению, способствуя повышению коэффициента мощности электровоза. Увеличение коэффициента мощности обеспечивает сокращение потребления реактивной мощности, что равносильно уменьшению количества потребляемой энергии.
Достоинством известного преобразователя является уменьшение на 1-2% (по сравнению со штатной схемой электровоза) потребления электрической энергии за счет увеличения коэффициента мощности, что обусловлено компенсацией реактивной мощности. Кроме того, компенсация реактивной мощности вызывает некоторое снижение пульсаций в цепи выпрямленного тока.
Однако недостатком известного преобразователя являются высокие пульсации выпрямленного тока. Это связано с тем, что уменьшение пульсаций тока ограничено массо-габаритными показателями сглаживающего реактора, индуктивность которого определяется внутренними размерами кузова подвижного состава. Следствием этих ограничений являются значительные
(порядка 30%) пульсации выпрямленного тока, которые увеличивают искрения на коллекторе двигателя.
Значительный расход электрической энергии является другим недостатком известного преобразователя. Это обусловлено тем, что приближение фазы тока к питающему напряжению мало влияет на расход электроэнергии, поскольку он определяется величиной пульсаций тока.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является преобразователь однофазно-постоянного тока [2], который содержит многообмоточный трансформатор, по крайней мере два блока выпрямления.
Каждый блок выпрямления включает выпрямитель и последовательно соединенные сглаживающий реактор и двигатель постоянного тока. К выходу выпрямителя подключены сглаживающий реактор и двигатель. Обмотка сглаживающего реактора каждого блока выпрямления размещена на общем магнитопроводе. При этом обе обмотки включены согласно и связаны между собой магнитной связью.
Первичная обмотка трансформатора подключена к сети, вторичные обмотки трансформатора соединены с входом выпрямителя каждого блока выпрямления.
Устройство работает следующим образом. Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход каждого блока выпрямления. Выпрямитель каждого блока выпрямления формирует постоянное по величине напряжение пульсирующей формы. Под действием этого напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. В обмотке каждого сглаживающего реактора под действием выпрямленного напряжения возникает э.д.с. самоиндукции. Э.д.с. самоиндукции, направленная встречно выпрямленному напряжению, замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока и, тем самым, снижает величину его пульсаций.
Кроме того, благодаря взаимной магнитной связи обмоток сглаживающего реактора, в них дополнительно наводится э.д.с. взаимоиндукции. При одинаковой нагрузке двигателей выпрямительных блоков в обмотке сглаживающего реактора образуется дополнительная э.д.с. взаимоиндукции, которая в дополнении к э.д.с. самоиндукции еще больше препятствует изменению выпрямленного тока. Суммарная э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции приводит к значительному увеличению общей индуктивности цепи выпрямленного тока, компенсирующей пульсации напряжения вторичной обмотки трансформатора. Уменьшение пульсаций выпрямленного тока, протекающего через обмотку возбуждения двигателя, сопровождается уменьшением пульсаций магнитного потока. Это способствует улучшению условий коммутации, при которой снижаются искрения на коллекторе двигателя.
п
п
п
d
п
d
Кроме того, магнитное связывание обмоток сглаживающего реактора приводит к уменьшению потребления электроэнергии. Это обусловлено тем, что пульсации тока, складываясь с постоянным значением выпрямленного тока, вызывают на отдельных временных интервалах увеличение мгновенных значений тока. Потребляемый электровозом ток I прямо пропорционален величине пульсаций: I=kI, где k - коэффициент пульсаций выпрямленного тока. I - выпрямленный ток. Следовательно, уменьшение пульсаций тока приводит к уменьшению потребляемого тока и, соответственно, к уменьшению электропотребления.
Недостатком известного преобразователя является неполная компенсация пульсаций выпрямленного тока при работе выпрямительных блоков с разной нагрузкой. Такой режим работы преобразователя обусловлен, например, процессами боксования двигателя одного из выпрямительных блоков. В этом случае по магнитосвязанным обмоткам сглаживающего реактора протекают токи с различной величиной пульсаций. В соответствии с этим э.д.с. взаимоиндуктивности, наведенная в обмотках сглаживающего реактора, также становится различной. Э.д.с. взаимоиндуктивности, наведенная в обмотке реактора током боксующего двигателя, становится меньше и не
компенсирует пульсации выпрямленного тока. Это приводит к увеличению пульсаций выпрямленного тока в смежном блоке выпрямления.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании преобразователя однофазно-постоянного тока, имеющего малый расход электроэнергии при работе выпрямительных блоков с разной нагрузкой за счет исключения взаимного влияния токов через наведенную величину э.д.с. взаимоиндукции.
Для решения поставленной задачи в известном преобразователе однофазно-постоянного тока, содержащем многообмоточный трансформатор, по крайней мере, два блока выпрямления, каждый из которых включает выпрямитель, последовательно соединенные сглаживающий реактор и двигатель постоянного тока, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к сети, вторичные обмотки - к входам каждого блока выпрямления, вход сглаживающего реактора подключен к «плюсу» выпрямителя, в каждый блок выпрямления дополнительно введен аналогичный сглаживающий реактор, вход которого подключен к «минусу» выпрямителя, а выход - к двигателю постоянного тока.
Введение дополнительной обмотки сглаживающего реактора в цепь выпрямленного тока каждого блока выпрямления и подключение его к «минусу» выпрямителя приводит к уменьшению пульсаций не только в штатном режиме работы электровоза, но и при боксовании одного из двигателей выпрямительного блока. При этом уменьшается искрение на коллекторе двигателя и снижается электропотребление. Это обусловлено тем, что через обмотки сглаживающего реактора во время боксования протекают одинаковые по величине выпрямленные токи, имеющие, соответственно, одинаковую величину пульсаций. В этом случае в обмотках сглаживающего реактора наводится одинаковая э.д.с. взаимоиндукции, за счет которой обеспечивается наибольшее снижение пульсаций выпрямленного тока. Это способствует улучшению условий коммутации, при которой снижаются искрения на коллекторе двигателя.
п
п
п
d
п
d
Кроме того, происходит уменьшение электропотребления, которое связано с уменьшением действующего значения потребляемого электровозом тока. Это обусловлено тем, что пульсирующий ток по сравнению с его постоянной составляющей имеет несколько большее значение. Пульсации тока, складываясь с постоянным значением выпрямленного тока, вызывают на отдельных временных интервалах увеличение мгновенных значений тока. Потребляемый электровозом ток I прямо пропорционален величине пульсаций: I=kI, где k - коэффициент пульсаций выпрямленного тока. I - выпрямленный ток. Следовательно, уменьшение пульсаций тока приводит к уменьшению потребляемого тока и, соответственно, к уменьшению электропотребления, что логически вытекает из существующего уровня техники.
На фиг.1 представлена схема преобразователя однофазно-постоянного тока.
Преобразователь однофазно-постоянного тока содержит многообмоточный трансформатор 1 и два блока выпрямления 2. Каждый блок выпрямления 2 состоит из выпрямителя 3, первого 4, второго 5 сглаживающих реакторов и двигателя постоянного тока 6. Первичная обмотка трансформатора 1 подключена к сети, вторичные обмотки трансформатора 1 каждого блока выпрямления - к выпрямителю 3. Первый сглаживающий реактор 4 каждого блока выпрямления 2 подключен к «минусу» выпрямителя 3 и двигателю 6, второй сглаживающий реактор 5 - к «плюсу» выпрямителя 3 и двигателю 6. Обмотки сглаживающих реакторов 4, 5 каждого блока выпрямления 2 включены согласно на одном магнитопроводе и связаны между собой магнитной связью. Питание преобразователя однофазно-постоянного тока осуществляется от сети переменного тока.
Преобразователь электровоза однофазно постоянного тока ВЛ65 выполнен на основе типовых устройств: трансформатора ОНДЦЭ-10000/25, выпрямителя ВИП-4000, сглаживающего реактора PC-78 и двигателя постоянного тока НБ-514.
Преобразователь однофазно-постоянного тока работает следующим образом.
При одинаковых и различных нагрузках двигателей трансформатор 1 передает переменное напряжение необходимого уровня на вход каждого блока выпрямления 2. Выпрямитель 3 каждого блока выпрямления 2 преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора 1, при этом на выходе выпрямителя 3 формируется постоянное по величине напряжение пульсирующей формы. Под действием этого напряжения в цепи двигателя 5 протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. В обмотках сглаживающего реактора 4 под действием выпрямленного напряжения возникают э.д.с. самоиндукции, замедляющая интенсивность нарастания выпрямленного тока и, соответственно, уменьшающая пульсации выпрямленного тока.
L
M
L
M
Протекание выпрямленного тока через обмотки сглаживающего реактора каждого блока создает в них магнитный поток. При согласном включении обмоток сглаживающего реактора магнитный поток одной обмотки наводит в другой обмотке э.д.с. взаимоиндукции, которая препятствует изменению переменной составляющей выпрямленного тока. В общем случае в каждой из обмоток сглаживающего реактора создается э.д.с. E=E+E, которая обусловлена э.д.с. самоиндукции E и э.д.с. взаимоиндукции Е. Пренебрегая активным сопротивлением обмоток сглаживающего реактора, э.д.с. обмоток трансформатора равна:
d
где I - выпрямленный ток
L - индуктивность сглаживающего реактора
12
М - взаимоиндуктивность обмоток реактора
w - круговая частота пульсаций выпрямленного тока.
При согласном включении обмоток сглаживающего реактора в каждой из них наводится дополнительная э.д.с. взаимоиндукции Ем, которая еще больше замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока. За счет
этого уменьшается переменная составляющая выпрямленного тока, что приводит к сглаживанию пульсаций в цепи выпрямительного блока. Сглаживание пульсаций выпрямленного тока приводит к уменьшению пульсаций магнитного потока двигателя, что снижает искрение на коллекторе.
Эксплуатационные испытания заявляемого устройства, проведенные на электровозе однофазно-постоянного тока ВЛ65 в депо Белогорск Забайкальской ж.д. показали, что использование магнитосвязанных реакторов типа PC-78 в каждом блоке выпрямления приводит к уменьшению пульсаций при боксовании на 8,4-8,6% по сравнению с прототипом. Это вызвало улучшение состояния поверхности коллектора тягового двигателя за счет снижения искрения. За счет снижения пульсаций тока среднемесячный расход электроэнергии электровоза уменьшился в среднем на 3,1%.
Источники информации:
1. Н.Н.Широченко и др. Улучшение энергетики электровозов переменного тока. М.: Железнодорожный транспорт, 1988 г., №7, с.33-37.
2. Преобразователь однофазно-постоянного тока. Патент на изобретение №2291549. Авторы Кулинич Ю.М., Бобровников Я.Ю.