МНОГОЗОННЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использована на электроподвижном составе, в частности на электровозе, получающем питание от контактной сети однофазного переменного тока.
Эксплуатация многозонных выпрямителей на электровозах сопровождается невысокими энергетическими показателями (коэффициенты мощности и полезного действия) за счет достаточно большого угла сдвига фаз φ между током и напряжением в первичной обмотке трансформатора, а также большого искажения формы кривой синусоидального напряжения сети на их токоприемниках. Это вызывает значительное потребление выпрямителями реактивной энергии сети и возникновение перенапряжений, приходящихся на выпрямитель. Проблема заключается в сохранении надежной работы выпрямителя при обеспечении высокого коэффициента мощности за счет уменьшения угла φ.
Известен многозонный выпрямитель однофазного переменного тока с поочередной коммутацией тока управляемых вентилей [1]. Он содержит трансформатор и четыре цепочки управляемых вентилей. Трансформатор имеет первичную и вторичную обмотку, выполненную в виде трех последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них. Первые две малые секции
имеют равное количество витков, а третья большая секция равна сумме первых двух. Каждая цепочка состоит из пары последовательно соединенных управляемых вентилей.
Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику питания, а выводы трех секций вторичной обмотки соединены с соответствующими средними точками цепочек. Крайние точки цепочек подключены к шинам постоянного тока параллельно нагрузке. Первые две цепочки, подключенные к выводам второй малой секции, образуют первую зону, а третья цепочка, подключенная к крайнему выводу первой малой секции, образует вторую зону. Далее происходит синхронный перевод нагрузки на третью большую секцию путем подключения к ее крайнему выводу четвертой цепочки. В результате, третья зона образуется благодаря подключению второй цепочки к промежуточному выводу первой и второй малых секций, а четвертая зона благодаря подключению третьей цепочки к крайнему выводу первой малой секции.
Таким образом, три секции с помощью четырех цепочек образуют четыре зоны, причем каждая секция используется дважды - первая малая на второй и четвертой, вторая малая - на первой и третьей и третья большая секция - на третьей и четвертой зонах. В результате, каждая зона начиная со второй образуется путем присоединения друг к другу с помощью цепочек двух секций, причем одна из секций образует предыдущую зону, а другая последующую.
Устройство работает следующим образом. Первая зона представляет собой схему обычного управляемого моста из четырех вентилей. При подаче на
0
0
0
0
два соответствующих вентиля моста в каждом полупериоде управляющих импульсов с фазой α и α (фазы α и α - нерегулируемый и регулируемый углы импульсов управления, подаваемых на вентили с задержкой относительно точки прохода переменного напряжения сети через нуль) они отпираются и на выходе выпрямителя образуется выпрямленное напряжение первой зоны. Длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения сети. Работа моста на активно-индуктивную нагрузку организована с буферным контуром. В этом случае в каждый полупериод импульсы управления подаются на один вентиль буфера с углом α, а на другой с углом α. В результате схема моста на первой зоне позволяет регулировать выпрямленное напряжение в широком диапазоне от π до α.
В тоже время ток нагрузки в схеме моста с буферным контуром возникает только с момента α, сдвигая тем самым кривую переменного тока трансформатора относительно напряжения сети на угол φ, равный углу α. В результате коэффициент мощности снижается с увеличением угла α.
0
На второй и последующих зонах выпрямителя осуществляется зонно-фазовое регулирование напряжения. При этом, выпрямленное напряжение предыдущей зоны подводится к цепи нагрузки, суммируясь с выпрямленным напряжением последующей зоны. В этом случае в каждый полупериод поочередно вначале подаются импульсы управления с углом α на отпирание соответствующих вентилей предыдущей зоны, а затем импульсы с углом α на отпирание соответствующих вентилей последующей зоны. В результате
0
естественная коммутация с углом γ в цепи переменного тока осуществляется дважды: один раз - основная, начиная с угла α при смене полярности напряжения сети, и второй раз - дополнительная фазовая при регулировании напряжения с помощью угла α внутри зоны.
Принцип основной коммутации в многозонном выпрямителе современных электровозов переменного тока на второй и последующих зонах организуется поочередно в два этапа: сначала в большом, а затем в малом контурах, образующихся соответствующими коммутируемыми вентилями и секциями вторичной обмотки.
Достоинством такого многозонного выпрямителя является возможность получения четырехзонного плавного регулирования напряжения на нагрузке, которая обусловлена созданием четырех зон при меньшем количестве секций (три) вторичной обмотки и цепочек (четыре) из управляемых вентилей.
0
1
2
1
2
Однако, данный выпрямитель имеет низкий коэффициент мощности. Это обусловлено тем, что он имеет большие величины угла α (10 эл. град.) и общего суммарного угла основной коммутации γ=γ+γ, вызванного протеканием поочередной (последовательной) коммутацией большого (γ) и малого (γ) контуров (примерно 25-30 эл. град. в номинальном режиме работы выпрямителя). Все это приводит к сохранению большой величины угла φ, а следовательно, и низкой величины коэффициента мощности (0,84 в номинальном режиме) выпрямителя.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является многозонный выпрямитель однофазного переменного тока с одновременной коммутацией вентилей [2], который содержит трансформатор, несколько (шесть) цепочек управляемых вентилей, неуправляемый вентиль и нагрузку.
Трансформатор имеет первичную обмотку и вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций с равным количеством витков и выводами от каждой из них. Каждая цепочка состоит из пары последовательно соединенных управляемых вентилей. Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику питания, а каждый вывод секции вторичной обмотки соединен с соответствующей средней точкой цепочек управляемых вентилей. Крайние точки цепочек образуют выводы многозонного выпрямителя, к которым через шины постоянного тока подключена нагрузка и неуправляемый вентиль. Первые две цепочки вентилей, подключенные к выводам первой секции, образуют первую зону регулирования. Вторая зона образована присоединением к первой зоне следующей секции с помощью пары соответствующих вентилей и так далее аналогичным образом до m-ой зоны (m=5). К выводам многозонного выпрямителя между шинами постоянного тока подключена нагрузка и неуправляемый вентиль, который непосредственно присоединен катодом к плюсовой, а анодом к минусовой шинам постоянного тока.
Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока работает следующим образом. На первой зоне с помощью угла α происходит
регулирование выпрямленного напряжения в диапазоне от π до 0. На протяжении времени от ωt=0 до ωt=α создается буферный контур разряда накопленной энергии в цепи нагрузки через неуправляемый вентиль, благодаря которому поток накопленной в нагрузке электромагнитной энергии направляется не в сеть, а разряжается в нагрузке, снижая тем самым пульсации выпрямленного тока и повышая коэффициент мощности выпрямителя. Начиная с момента времени ωt=α вступают в работу поочередно соответствующие каждому полупериоду вентили, которые осуществляют режим выпрямления до окончания полупериода. Неуправляемый вентиль в это время закрыт.
1
1
2
1
2
При работе выпрямителя на второй и последующих зонах осуществляется зонно-фазовое регулирование выпрямленного напряжения с организацией одновременной основной коммутации тока вентилей. На этих зонах в начале каждого полупериода напряжения начинает проводить ток неуправляемый вентиль, разряжая через себя накопленную энергию в цепи нагрузки. Вступление в работу неуправляемого вентиля заставляет закрываться два вентиля, проводящие ток в предыдущем полупериоде. Продолжительность коммутации этих вентилей (угол γ) определяется скоростью изменения тока в обмотках трансформатора и тока в нагрузке. После окончания коммутации γ неуправляемый вентиль продолжает проводить ток на интервале γ, разряжая через себя накопленную энергию нагрузки и закорачивая соответствующее количество секций вторичной обмотки трансформатора, равное номеру данной зоны. Тем самым, на интервалах γ и γ выпрямленное напряжение
выпрямителя равно нулю и поток электрической энергии нагрузки замыкается внутри выпрямителя, минуя вторичную обмотку трансформатора.
0
3
3
3
Далее одновременно на все вентили выпрямителя подаются импульсы управления с нерегулируемым углом отпирания α, соответствующие номеру данной зоны регулирования. Все указанные вентили включаются и через них начинают протекать токи, определяемые током нагрузки и токами замкнутых накоротко секций вторичной обмотки трансформатора. При этом ток в каждой секции вторичной обмотки трансформатора с этого момента времени меняет направление и увеличивается до значения тока нагрузки. Включение указанных вентилей приводит к запиранию неуправляемого вентиля и ток в нем начинает уменьшаться до нуля. Продолжительность этой коммутации γ определяется скоростью изменения тока в обмотках трансформатора и в цепи нагрузки. Токи в вентилях средних цепочек в начале коммутации γ возрастают, а затем спадают до нуля. В результате, ток в вентилях крайних цепочек возрастает, а в неуправляемом вентиле продолжает спадать на протяжении всей коммутации γ. Выпрямленное напряжение выпрямителя на этом интервале коммутации равно нулю.
1
2
3
Величина общего угла коммутации γ равна γ=γ+γ+γ.
3
После окончания коммутации γ ток проводят два вентиля крайних цепочек и напряжение на выходе выпрямителя будет равно сумме напряжений секций вторичной обмотки данной зоны. Далее, в пределах полупериода для регулирования выпрямленного напряжения на последующей зоне на один
р
вентиль следующей цепочки подается импульс управления с регулируемым углом отпирания α. В результате возникает регулируемая коммутация γ, в течение которой ток с вентиля предыдущей цепочки переходит на вентиль следующей крайней цепочки. До конца данного полупериода ток проводят два вентиля крайних цепочек, а выпрямленное напряжение выпрямителя будет равно сумме напряжений секций вторичной обмотки трансформатора последующей зоны. При смене полярности напряжения в следующем полупериоде начинается аналогичный цикл работы выпрямителя.
0
Достоинством известного выпрямителя является повышение коэффициента мощности. Это обусловлено тем, что в выпрямителе ускоряется процесс основной коммутации, который приводит к уменьшению величины угла α примерно в 3 раза (можно довести его величину до 3-4°). В результате, повышается величина выпрямленного напряжения, что приводит в номинальном режиме работы выпрямителя к уменьшению угла сдвига φ кривой переменного тока относительно напряжения сети на 4° и как следствие - к повышению коэффициента мощности с 0,84 до 0,89.
Недостатком такого многозонного выпрямителя является пониженная надежность работы выпрямителя в условиях резкого нарастании тока разряда накопленной энергии в цепи нагрузки через неуправляемый вентиль. Это обусловлено тем, что большая интенсивность нарастания тока разряда накопленной в нагрузке электромагнитной энергии может вызвать пробой неуправляемого вентиля.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности работы многозонного выпрямителя путем ограничения величины и интенсивности нарастания тока разряда через неуправляемый вентиль накопленной энергии в цепи нагрузки при сохранении высокого коэффициента мощности выпрямителя.
Для решения поставленной задачи в известный многозонный выпрямитель однофазного переменного тока, содержащим трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную к источнику питающего напряжения, вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них, несколько цепочек управляемых вентилей, каждая из которых включает пару последовательно соединенных управляемых вентилей, параллельно подключенных к плюсовой и минусовой шинам постоянного тока, нагрузку и неуправляемый вентиль, при этом средние точки цепочек присоединены к соответствующим выводам секций вторичной обмотки трансформатора, а крайние точки подключены плюсовой и минусовой шинами постоянного тока к нагрузке и неуправляемому вентилю, причем неуправляемый вентиль катодом подключен к плюсовой, а анодом - к минусовой шинам постоянного тока, дополнительно введено индуктивное сопротивление, вход которого соединен с минусовой шиной, а выход - с анодом неуправляемого вентиля.
Введение индуктивного сопротивления между анодом неуправляемого вентиля и минусовой шиной постоянного тока увеличивает надежность работы неуправляемого вентиля, а следовательно и надежность работы
многозонного выпрямителя. Это обусловлено тем, что индуктивное сопротивление создает ограничение величины и интенсивности нарастания тока разряда накопленной энергии в цепи нагрузки через неуправляемый вентиль, гасит часть накопленной энергии на себе и снимает таким образом опасность пробоя неуправляемого вентиля.
На фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемого многозонного выпрямителя однофазного переменного тока. На фиг.2 и 3 представлены процессы его работы на первой и последующих зонах регулирования.
Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока содержит трансформатор 1, несколько (шесть) цепочек управляемых вентилей 2-7, нагрузку 8, неуправляемый вентиль 9 и индуктивное сопротивление 10.
Трансформатор 1 имеет первичную обмотку и вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций с равным количеством витков и выводами от каждой из них.
Каждая цепочка 2-7 состоит из пары последовательно соединенных управляемых вентилей 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20 и 21-22.
Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику питания (на схеме источник не показан), а каждый вывод секции вторичной обмотки соединен с соответствующей средней точкой цепочек 2-7. Крайние точки цепочек 2-7 образуют выводы многозонного выпрямителя, к которым присоединены плюсовая и минусовая шины постоянного тока. Первые две цепочки 2 и 3, подключенные к выводам первой секции, образуют первую зону регулирования. Вторая зона образована присоединением к первой секции
следующей секции с помощью цепочки 4 и так далее аналогичным образом до m-ой зоны (m=5). К выводам многозонного выпрямителя между плюсовой и минусовой шинами постоянного тока подключены нагрузка 8 и неуправляемый вентиль 9 с индуктивным сопротивлением 10. Причем неуправляемый вентиль 9 присоединен катодом к плюсовой шине, а анодом - к выходу индуктивного сопротивления 10, вход которого присоединен к минусовой шине постоянного тока.
Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока работает следующим образом. На первой зоне (фиг.2) на вентили цепочек 2 и 3 подаются импульсы управления с углом отпирания α, с помощью которого происходит регулирование выпрямленного напряжения в диапазоне от π до 0. Процессы работы выпрямителя проходят в следующем порядке. На протяжении времени от ωt=0 до ωt=α создается буферный контур разряда накопленной энергии в цепи нагрузки через неуправляемый вентиль 9, благодаря которому поток накопленной в нагрузке электромагнитной энергии направляется не в сеть, а разряжается в нагрузке, снижая тем самым пульсации выпрямленного тока и повышая коэффициент мощности выпрямителя. Начиная с момента времени ωt=α включаются в работу поочередно соответственно каждому полупериоду вентили 11, 14 и 12, 13, которые осуществляют режим выпрямления до окончания полупериода. Неуправляемый вентиль 9 с этого момента времени будет закрыт.
При работе выпрямителя на второй и последующих зонах (фиг.3) осуществляется зонно-фазовое регулирование выпрямленного напряжения с организацией одновременной основной коммутации тока вентилей.
1
Так например, при работе на m-ой зоне (m=4) в начале полупериода с полярностью напряжения, обозначенной на фиг.3 сплошной стрелкой, начинает проводить ток неуправляемый вентиль 9, разряжая в цепи накопленную энергию нагрузки. При вступлении в работу неуправляемого вентиля 9 одновременно закрываются вентили 12 и 19, которые были открыты в предыдущем полупериоде, обозначенном пунктирной стрелкой. Продолжительность коммутации (угол γ) определяется скоростью изменения тока в обмотках трансформатора и тока в нагрузке.
1
1
2
1
2
В результате токи вентилей 12 и 19 спадают, а неуправляемого вентиля 9 возрастает на протяжении всей коммутации γ. При этом ток в каждой секции вторичной обмотки спадает до нуля, а ток нагрузки сохраняет свою величину. После окончания коммутации γ неуправляемый вентиль 9 продолжает проводить ток на интервале γ, разряжая накопленную энергию нагрузки и закорачивая четыре первые секции вторичной обмотки трансформатора. Тем самым, на интервалах γ и γ выпрямленное напряжение выпрямителя равно нулю и поток электрической энергии нагрузки замыкается внутри выпрямителя, минуя вторичную обмотку трансформатора.
0
Далее, на вентили 11, 13, 14, 15, 16, 17 и 18 подаются импульсы управления с нерегулируемым углом отпирания α. Все указанные вентили
3
3
3
включаются и через них начинают протекать токи, определяемые током нагрузки и токами замкнутых накоротко секций вторичной обмотки трансформатора. При этом ток в каждой секции вторичной обмотки трансформатора с этого момента времени меняет направление и увеличивает свое значение до величины тока нагрузки. В соответствии с этим токи в вентилях 13, 14, 15, 16 и 17 в начале коммутации γ возрастают, а затем спадают до нуля. Включение указанных вентилей приводит к запиранию неуправляемого вентиля 9 и ток в нем начинает уменьшаться до нуля. В результате, ток в вентилях 11 и 18 возрастает, а в неуправляемом вентиле 9 спадает на протяжении всей коммутации γ. Продолжительность коммутации γ определяется скоростью изменения тока в обмотках трансформатора и в цепи нагрузки. Выпрямленное напряжение выпрямителя на этом интервале коммутации равно нулю.
3
р
После окончания коммутации γ вентили 11 и 18 проводят ток и напряжение на выходе выпрямителя будет равно сумме напряжений трех первых секций вторичной обмотки. Далее в пределах полупериода для регулирования выпрямленного напряжения на m-ой (4-ой) зоне на вентиль 20 подаются импульс управления с регулируемым углом отпирания α. В результате возникает регулируемая коммутация γ, в течение которой ток с вентиля 18 переходит на вентиль 20. До конца данного полупериода ток будут проводить вентили 11 и 20 и выпрямленное напряжение выпрямителя будет равно сумме напряжений уже четырех первых секций вторичной обмотки трансформатора.
0
1
2
3
р
При смене полярности напряжения в следующем полупериоде, обозначенном на фиг.3 пунктирной стрелкой, начинается аналогичный цикл работы вентилей 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, на которые подаются импульсы управления с нерегулируемым углом α, и вентиля 19, на который подается импульс управления с регулируемым углом отпирания α. Процессы коммутации γ, γ, γ и γ протекают аналогично, как и в предыдущем полупериоде.
Заявляемый многозонный выпрямитель был испытан на электровозе ВЛ-85 №230 в локомотивном депо Улан-Удэ. Испытания показали повышение надежной работы неуправляемого вентиля в два раза и коэффициента мощности многозонного выпрямителя до 0,89.
Таким образом, использование заявляемого многозонного выпрямителя однофазного переменного тока по сравнению с прототипом позволяет обеспечить высокую надежность работы многозонного выпрямителя и сохранить достигнутый в прототипе повышенный коэффициент мощности.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Электровоз ВЛ80Р. Руководство по эксплуатации / Под ред. Б.А.Тушканова, М.: Транспорт, 1985. - С.75-115.
2. Заявка №2003117287 от 2004.12.20; Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока / С.В.Власьевский, А.К.Бабичук, О.В.Мельниченко