Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока
CONTROL METHOD OF MULTI-ZONE RECTIFIER-INVERTER CONVERTER OF SINGLE-PHASE ALTERNATING CURRENT

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИП) на электроподвижном составе (электровозы и электропоезда), получающим питание от контактной сети однофазного переменного тока.
Эксплуатация многозонных ВИП на электровозах переменного тока, построенных на управляемых вентилях - тиристорах, сопровождается невысоким коэффициентом мощности в режимах выпрямителя и инвертора за счет достаточно большого угла сдвига фаз ϕ между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза. Причем в этом угле сдвига фаз в режиме выпрямителя фаза тока отстает от фазы напряжения, а в режиме инвертора опережает. Это вызывает значительное потребление преобразователем электромагнитной (реактивной) энергии сети.
0
Большая величина угла ϕ вызывается достаточно большими величинами нерегулируемого фазового угла α (минимальная величина интервала времени от нуля напряжения до момента подачи импульсов управления на тиристоры) в режиме выпрямителя и угла опережения β (интервал времени от начала подячи импульсов управления на тиристоры до момента времени π прохода кривой переменного напряжения сети через нуль) в режиме инвертора, необходимых для отпирания тиристоров, а также угла γ естественной основной коммутации токов тиристоров при смене полупериодов напряжения, вызываемого большими величинами тока в тяговых двигателях (режим выпрямителя) и генераторах (режим инвертора), а также индуктивного сопротивления цепи переменного тока преобразователя.
Для повышения коэффициента мощности преобразователя к его выходным (катодной и анодной) шинам подключают силовой неуправляемый вентиль - диод, через который в режиме выпрямителя разряжается накопленная в индуктивности цепи выпрямленного тока нагрузки электромагнитная энергия, а в режиме инвертора разряжается электромагнитная энергия цепи переменного тока. Известны различные способы включения и выключения диода между катодной и анодной шинами ВИП. Одним из таких способов является последовательное подключение к диоду полупроводникового полностью управляемого прибора - транзистора, который своим открытием включает диод и закрытием выключает диод. Известны также различные пути повышения коэффициента мощности многозонного ВИП за счет уменьшения угла ϕ. Одним из таких путей является разбиение естественной основной коммутации тока тиристоров (угла γ), происходящей при смене полупериодов напряжения сети, на два интервала, один из которых протекает в предыдущем полупериоде до точки прохода напряжения через нуль, а второй в последующем полупериоде после этой точки.
рег
Известен способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока [1 - Патент на изобретение №2322749. Заявка №2006140957/09 от 20.11.2006, опубликовано: 20.04.2008, Бюл. №11], содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока нагрузки неуправляемым вентилем - диодом. Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя на всех зонах регулирования, в подаче на тиристоры плеч моста 1-й зоны импульсов управления с регулируемым фазовым углом α и в переводе накопленной в индуктивности цепи выпрямленного тока электромагнитной (реактивной) энергии в нагрузку (тяговые двигатели) путем шунтирования цепи выпрямленного тока диодом, катод которого присоединен к катодной, а анод к анодной шинам выпрямителя. Благодаря диоду уменьшается реактивная и увеличивается активная составляющие полной энергии переменного тока сети, выпрямляемого выпрямителем для потребления тяговыми двигателями. Это повышает коэффициент мощности выпрямителя электровоза. Недостатком данного способа управления многозонным выпрямителем является то, что включение диода при возникновении режима выпрямления и его отключение от анодной шины при прекращении этого режима производится с помощью механического силового контакта переключателя, что снижает надежность работы выпрямителя.
Известен зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока [2 - Патент на изобретение №2561068. Заявка №2014119292/07 от 13.05.2014, опубликовано: 20.08.2015, Бюл. №23], содержащий четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока инвертора неуправляемым вентилем - диодом, катод которого присоединен к анодной, а анод к катодной шинам инвертора. Включение диода позволяет уменьшить угол запаса δ инвертора, обусловленный уменьшением угла коммутации γ инвертора, что уменьшает угол сдвига фаз ϕ. Уменьшение угла ϕ снижает реактивную и повышает активную составляющие полной энергии переменного тока, возвращаемой генераторами в сеть при инвертировании постоянного тока в переменный в режиме рекуперативного торможения электровоза. Это позволяет повысить коэффициент мощности преобразования на всех четырех зонах регулирования напряжения при сохранении регулирования напряжения на этих зонах в широком диапазоне, что является достоинством такого зависимого многозонного инвертора. Отключение диода от анодной шины при прекращении режима инвертирования производится с помощью силового контакта тормозного переключателя. Недостаток такого зависимого многозонного инвертора заключается в том, что даже при увеличенном коэффициенте мощности на всех зонах регулирования отключение диода от анодной шины при прекращении режима инвертирования производится с помощью силового контакта переключателя, снижающего надежность работы инвертора.
Известен способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока [3 - Патент на изобретение №2561913. Заявка №2014115762/07 от 18.04.2014, опубликовано: 10.09.2015, Бюл. №25] с высоким коэффициентом мощности преобразователя на всех зонах регулирования, в котором осуществляется шунтирование цепи выпрямленного тока преобразователя двумя цепочками, каждая из которых предназначена только для одного режима (выпрямителя или инвертора) и выполнена из последовательно соединенных силовых неуправляемого вентиля - диода и управляемого вентиля - тиристора, подключенных между катодной и анодной шинами преобразователя. Для режима выпрямителя включена только первая цепочка, в которой катод диода подключают к катодной шине, а анод тиристора к анодной шине преобразователя, а для режима инвертора включена только вторая цепочка, в которой катод диода подключают к анодной шине, а анод тиристора к катодной шине преобразователя. Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя и инвертора на всех зонах регулирования, в шунтировании цепи выпрямленного тока одной из двух (первой или второй) цепочек с целью разряда через нее реактивной энергии и бесконтактном отключении каждой из них с помощью тиристора от анодной или катодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот. Такой способ управления повышает коэффициент мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора, а также повышает надежность работы преобразователя по сравнению с контактными схемами перехода из режима выпрямителя в инвертор и наоборот. Недостатком данного способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем является то, что для каждого режима работы преобразователя нужна своя отдельная цепочка из последовательно соединенных диода и тиристора, которая шунтирует цепь выпрямленного тока, т.е. необходимо иметь две цепочки согласно двум режимам работы преобразователя. Кроме того, в каждой цепочке находится управляемый вентиль - тиристор, который включается на период работы преобразователя в режиме выпрямителя или инвертора и выключается при окончании работы преобразователя в одном из этих режимов. Таким образом, тиристор выступает только в роли бесконтактного ключа на время работы преобразователя, но не выполняет роли регулятора, способного влиять на величину коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя или инвертора.
рег
Известен способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока [4 - Патент на изобретение №2689786. Заявка №2018121872/07 от 13.06.2018, опубликовано: 29.05.2019, Бюл. №16] с высоким коэффициентом мощности и высокой надежностью работы преобразователя на всех зонах регулирования, содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока нагрузки в режимах выпрямителя и инвертора цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной, а коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя. Управление включением транзистора на интервале каждого полупериода напряжения сети осуществляется с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на всех зонах регулирования в момент времени ωt=0, а в режиме инвертора в момент времени ωt=π-20°. Управление выключением транзистора на интервале каждого полупериода напряжения сети осуществляется с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на первой зоне регулирования в момент времени ωt=α и на остальных зонах выше первой в момент времени ωt=10°, а в режиме инвертора на всех зонах в момент времени ωt=π. Благодаря шунтированию в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной и коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя, а также управлению в каждом полупериоде напряжения сети включением и выключением транзистора в соответствующие моменты времени, происходит увеличение коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования и повышение надежности его работы, что является достоинством данного способа управления. Недостатком данного способа управления является недостаточно высокое увеличение (на 4-й зоне регулирования в номинальном режиме работы не превышает 0,89 для выпрямителя и 0,87 для инвертора) коэффициента мощности преобразователя.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока [5 - Патент на изобретение №2716493. Заявка №2019105044 от 22.02.2019, опубликовано 12.03.2020, Бюл. №8], содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов. Способ управления позволяет преобразователю достигать высокого коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования кроме первой и иметь высокую надежность его работы. Данный способ управления заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя на всех зонах регулирования, в шунтировании цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода, параллельно которому присоединен конденсатор, и транзистора, встречно-параллельно которому присоединен второй силовой диод, и управлении в соответствующие моменты времени включением транзистора в предыдущем полупериоде напряжения и его выключением в последующем полупериоде напряжения сети. В свою очередь цепочка присоединена анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, Шунтирование цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой осуществляют путем включения транзистора, управление которым происходит в каждом предыдущем полупериоде напряжения сети с помощью подачи на него отпирающего сигнала управления в момент времени ωt=π-25°, а бесконтактное отключение цепочки осуществляют путем выключения транзистора, управление которым происходит в каждом последующем полупериоде напряжения с помощью подачи на него запирающего сигнала управления в момент времени ωt=25°. Благодаря шунтированию в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода, параллельно которому присоединен конденсатор, и транзистора, встречно-параллельно которому присоединен второй силовой диод, и управлению в соответствующие моменты времени включением транзистора в предыдущем полупериоде напряжения и его выключением в последующем полупериоде напряжения сети, происходит увеличение коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования и повышение надежности его работы, что является достоинством данного способа управления. Недостатком данного способа управления является недостаточно высокое увеличение коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора на первой зоне регулирования в номинальном режиме его работы (не превышает 0,65).
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока с высоким коэффициентом мощности преобразователя на всех зонах регулирования, включая и первую зону, и высокой надежностью работы преобразователя на всех зонах регулирования выпрямленного напряжения в режимах выпрямителя и инвертора за счет значительного уменьшения на первой зоне регулирования угла сдвига фаз между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза, обусловленного изменением на этой зоне при регулировании выпрямленного напряжения момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения и его выключения в последующем полупериоде напряжения сети.
Для решения поставленной задачи в известном способе управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока, содержащем четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов, заключающемся в регулировании выпрямленного напряжения на всех зонах регулирования в режимах выпрямителя и инвертора, шунтировании цепи выпрямленного тока преобразователя с помощью включения цепочки, состоящей из последовательно соединенных силовых диода, параллельно которому присоединен конденсатор, и включенного транзистора, встречно-параллельно которому присоединен второй силовой диод, и управлении в соответствующие моменты времени включением транзистора в предыдущем полупериоде напряжения и его выключением в последующем полупериоде напряжения сети, увеличение коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании их выпрямленного напряжения на первой зоне осуществляют с помощью управления регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от ωt=π-25° до ωt=π-85° и управления регулированием момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от ωt=85° до ωt=25°.
Управление регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от ωt=π-25° до ωt=π-85° и управление регулированием момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от ωt=25° до ωt=85° отличают заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря управлению регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от ωt=π-25° до ωt=π-85° и управлению регулированием момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от ωt=25° до ωt=85° осуществляется увеличение коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора на первой зоне регулирования.
Это обусловлено следующим. Управление регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от ωt=π-25° до ωt=π-85° и регулирование момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от ωt=25° до ωt=85° приводит к симметричной форме кривой выпрямленного напряжения преобразователя и кривой переменного тока относительно точек прохода через нуль (0, π, 2π) кривой переменного напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора во всем диапазоне регулирования моментами времени включения и выключения транзистора. В результате, угол сдвига фаз ϕ между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора становится минимальным и стремится к нулю, что уменьшает реактивную и увеличивает активную составляющие полной мощности переменного тока. Это ведет к увеличению коэффициента мощности преобразователя на первой зоне регулирования.
Причинно-следственная связь «управление регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от ωt=π-25° до ωt=π-85° и управление регулированием момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от ωt=25° до ωt=85° - симметричная форма кривой выпрямленного напряжения преобразователя и кривой переменного тока относительно точек прохода через нуль (0, π, 2π) кривой переменного напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора во всем диапазоне регулирования моментами времени включения и выключения транзистора - угол сдвига фаз ϕ между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора становится минимальным и стремится к нулю - уменьшение реактивной и увеличение активной составляющих полной мощности переменного тока - увеличение коэффициента мощности преобразователя на первой зоне регулирования» явно не вытекает из существующего уровня техники и является новой.
Наличие новых причинно-следственных связей «существенные отличительные признаки - результат» свидетельствуют о соответствии заявленного решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя по заявляемому способу управления. На фиг. 2 показаны процессы работы на первой зоне регулирования четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме выпрямителя по заявляемому способу управления. На фиг. 3 показаны процессы работы на первой зоне регулирования четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме инвертора по заявляемому способу управления.
Заявляемый способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока осуществляется, например, в устройстве, содержащем однофазный трансформатор, четырехзонный выпрямительно-инверторный преобразователь на основе параллельных тиристорных мостов, цепочку из силовых диода и транзистора, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору встречно-параллельно второй силовой диод, цепь выпрямленного тока преобразователя (потребитель тока в режиме выпрямителя или источник напряжения в режиме инвертора).
Однофазный трансформатор имеет первичную обмотку 1, подключенную к источнику 2 питающего напряжения сети, и вторичную обмотку, выполненную в виде трех последовательно соединенных секций 3, 4, 5 с выводами 6, 7, 8, 9 от каждой из них. Первые две малые секции 3 и 4 имеют равное количество витков, а третья большая секция 5 имеет в два раза большее количество витков по сравнению с ними, т.е. равна сумме первых двух секций 3 и 4. Четырехзонный выпрямительно-инверторный преобразователь выполнен из параллельных тиристорных мостов, состоящих из нескольких цепочек тиристорных плеч. Каждая цепочка содержит пару 10-11, 12-13, 14-15 и 16-17 последовательно соединенных тиристорных плеч. Все четные 10, 12, 14и 16 тиристорные плечи образуют катодную 18, а все нечетные 11, 13, 15 и 17 тиристорные плечи анодную 19 группы плеч преобразователя. Катоды всех тиристорных плеч катодной группы 18, соединенные в одну общую точку схемы, образуют катодную шину 20, а аноды всех тиристорных плеч анодной группы 19, соединенные в другую общую точку схемы, образуют анодную шину 21 преобразователя. Средние точки цепочек подключены к соответствующим выводам секций 3, 4, 5 вторичной обмотки трансформатора. Неуправляемый вентиль - диод 22 и транзистор 23 образуют цепочку 24, в которой диод 22 и транзистор 23 последовательно соединены между собой, т.е. катод диода 22 соединен с коллектором транзистора 23. Цепочка 24 присоединена анодом диода 22 к анодной шине 21 и эмиттером транзистора 23 к катодной шине 20 преобразователя. В цепочке 24 к диоду 22 параллельно присоединен конденсатор 28, а к транзистору 23 встречно-параллельно второй силовой диод 29. К катодной 20 и анодной 21 шинам присоединена цепь 25 выпрямленного тока преобразователя. Цепь 25 включает в себя сглаживающий реактор 26 и электрическую машину 27 постоянного тока, включенные между собой последовательно. Цепь 25 подключена со стороны сглаживающего реактора 26 к катодной 20, а со стороны электрической машины 27 к анодной 21 шинам преобразователя.
Схема первой зоны регулирования в преобразователе образуется из секции 4 с выводами 7 и 8, которые соединены соответственно со средними точками цепочек тиристорных пар 12-13 и 14-15. В результате образуется преобразователь по типовой однофазной мостовой схеме из тиристорных плеч 12, 13, 14 и 15. Все остальные зоны (2, 3 и 4) образуются путем последовательного соединения соответствующих двух секций вторичной обмотки трансформатора исходя из величины их напряжений, выводы которых соединяются со средними точками цепочек соответствующих тиристорных плеч преобразователя. В результате, на каждой зоне образуется схема из двух параллельных тиристорных мостов, состоящих из трех цепочек тиристорных плеч.
Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока заключается в увеличении коэффициента мощности и повышении надежности работы преобразователя на первой зоне регулирования в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании их выпрямленного напряжения путем шунтирования цепи выпрямленного тока преобразователя с помощью включения цепочки, состоящей из последовательно соединенных силовых диода, параллельно которому присоединен конденсатор, и включенного транзистора, встречно-параллельно которому присоединен второй силовой диод, и присоединенной анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, бесконтактного выключения указанной цепочки с помощью выключения транзистора при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот, управления регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от ωt=π-85° до ωt=π-25° и управления регулированием момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от ωt=85° до ωt=25°.
p
р
d
l
p
р
d
l
p
рег
р
р
d
l
р
р
Работа выпрямителя на первой зоне (см. фиг. 1) осуществляется путем подачи однофазного переменного напряжения от источника питания сети 2 на первичную обмотку 1 трансформатора. Далее секция 4 его вторичной обмотки подает напряжение на средние точки цепочек тиристорных плеч 12-13 и 14-15 выпрямителя. С помощью этих плеч переменное напряжение секции 4 выпрямляется и подается на цепь 25 выпрямленного тока нагрузки, в качестве которой при работе выпрямителя выступает электрическая машина - тяговый двигатель постоянного тока. Процесс регулирования выпрямленного напряжения выпрямителя на первой зоне начинается не с конца первого и второго полупериодов (как в типовом однофазном выпрямителе), обозначенных на фиг. 2 соответственно сплошной и пунктирной стрелками, а ближе к середине (90°) полупериодов напряжения, т.е. с момента времени ωt=85°. В этот момент времени на тиристоры плеч 12, 15 в первом полупериоде и плеч 13, 14 во втором полупериоде начинают подаваться отпирающие сигналы управления с фазой α (индекс «р» обозначает регулирование), которые включают тиристоры указанных плеч. В результате, на выходных выводах (шины 20 и 21) выпрямителя появляется выпрямленное напряжение. Одновременно это напряжение своим потенциалом запирает открытый в предыдущем полупериоде напряжения транзистор 23 и между ними происходит коммутация тока (ток тиристоров плеч 12, 15 или 13, 14 возрастает от нуля до установившегося значения, а ток транзистора 23 от установившегося значения спадает до нуля). С этого момента времени в каждом (первом и втором) полупериоде напряжения выпрямленный ток поступает не только в цепь 25 (сглаживающий реактор 26 и двигатель 27), но и через диод 29 заряжает конденсатор 28, который заряжается до амплитудного значения напряжения секции 4 вторичной обмотки трансформатора. Далее, в момент времени ωt=π-85°=95° в каждом полупериоде напряжения включают транзистор 23 путем подачи на него сигнала управления с фазой β. Заряженный до амплитудного значения переменного напряжения секции 4 конденсатор 23 разряжается через диод 22 и транзистор 23 на цепь 25 и своим большим потенциалом в начале разряда закрывает тиристоры плеч 12, 15 в первом и плеч 13, 14 во втором полупериодах напряжения. Далее до конца первого полупериода напряжения (точки π) и затем от начала второго полупериода до момента времени ωt=85° открыты только транзистор 23 и диод 22, через которые происходит разряд электроэнергии конденсатора 28 и накопленной в индуктивности цепи 25 выпрямленного тока электромагнитной (реактивной) энергии. На этом интервале времени тиристоры плеч 12, 15 и 13, 14 закрыты и со стороны секции 4 вторичной обмотки трансформатора в цепь 25 напряжение Δαр интервале времени в цепи 25. протекает ток, образованный разрядом электроэнергии конденсатора 28 и накопленной в индуктивности цепи 25 электромагнитной энергии. В результате, расхода активной электроэнергии в нагрузке (тяговый двигатель) со стороны сети не происходит, а реактивная энергия конденсатора 28 и реактивная энергия, запасенная в цепи 25, используются полезно в нагрузке, увеличивая таким образом общее количество полезной электроэнергии в двигателе на производство его механической работы. На выходе выпрямителя возникает начальное значение (небольшое в среднем по величине) симметричное относительно точек 0 и π (точки прохода напряжения сети через нуль) выпрямленное напряжение u, а в первичной обмотке трансформатора начальное значение переменного тока i. В дальнейшем, по мере одновременного перемещения (регулирования) фазы отпирающих сигналов управления α влево от момента времени ωt=85° и фазы отпирающих сигналов управления β вправо от момента времени ωt=π-85° происходит постепенное увеличение в среднем выпрямленного напряжения u и переменного тока i. Диапазон регулирования Δα для сигналов управления α заканчивается в момент времени ωt=25°, а диапазон Δβ для сигналов управления β в момент времени ωt=π-25°. В эти моменты времени напряжение u и ток i становятся в среднем максимальными для первой зоны регулирования. Причем угол сдвига фаз ϕ между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза имеет небольшую величину и приближается к нулю, а коэффициент мощности выпрямителя имеет наибольшую величину и приближается к 1. На фиг. 2 в качестве примера представлены процессы работы выпрямителя на первой зоне в момент времени ωt=60° для фазы сигналов управления α, подаваемых для открытия тиристоров плеч 12, 15 и 13, 14, и в момент времени ωt=120° для фазы сигналов управления β, подаваемых для открытия транзистора 23.
Работа выпрямителя на 2, 3 и 4 зонах регулирования и процессы регулирования выпрямленного напряжения на них осуществляются аналогично работе и процессам выпрямителя на этих зонах, описанным в прототипе.
Работа инвертора на первой зоне (см. фиг. 1) осуществляется путем перевода цепи 25 выпрямленного тока преобразователя из режима потребителя (двигатель 27 постоянного тока с последовательным возбуждением и сглаживающий реактор 26) в режим источника напряжения постоянного тока (генератор 27 постоянного тока с независимым возбуждением, вращение якоря которого осуществляется через механический редуктор от вращения колесной пары в тележке электровоза, и сглаживающий реактор 26). Положительный потенциал напряжения генератора 27 прикладывается к анодной шине 21, а его отрицательный потенциал через сглаживающий реактор 26 прикладывается к катодной шине 20. От источника питания сети 2 на первичную обмотку 1 трансформатора подается однофазное переменное напряжение, а далее уже с секций 3, 4, 5 и 6 его вторичной обмотки напряжение подается на средние точки цепочек тиристорных плеч 10-11, 12-13, 14-15 и 16-17, из которых собирается та или иная зоны инвертора. Так, на первой зоне секция 4 вторичной обмотки трансформатора подает переменное напряжение на средние точки цепочек тиристорных плеч 12-13 и 14-15. Благодаря соответствующему управлению тиристорами указанных плеч на шинах 20 и 21 возникает выпрямленное напряжение с положительным потенциалом на шине 21 и отрицательным потенциалом на шине 20. В результате преобразователь приобретает режим работы однофазного зависимого от частоты напряжения сети (ведомого сетью) инвертора, в котором напряжение генератора 27 по величине должно быть несколько больше выпрямленного напряжения инвертора. За счет этой разницы величин напряжений постоянный ток генератора 27 через тиристоры плеч 13, 14 в первом полу периоде напряжения сети и 12, 15 во втором полупериоде поступает в обмотку секции 4, а затем путем трансформации поступает в первичную обмотку 1 трансформатора и далее в сеть. С помощью независимого возбуждения генератора такое условие всегда выполняется и через инвертор происходит преобразование (инвертирование) постоянного тока генератора в переменный ток сети.
р
d
d
l
р
d
l
p
d
l
р
d
l
р
р
р
p
р
р
Процесс регулирования выпрямленного напряжения инвертора на первой зоне начинается с начала первого и второго полупериодов, обозначенных на фиг. 3 соответственно сплошной и пунктирной стрелками, т.е. с момента времени ωt=25°. В этот момент времени на тиристоры плеч 12, 15 в первом полупериоде и плеч 13, 14 во втором полупериоде начинают подаваться отпирающие сигналы управления с фазой α, которые включают тиристоры указанных плеч. В результате, на выходных выводах (шины 21 и 20) инвертора появляется начальное выпрямленное напряжение u, которое по форме является симметричным относительно точек 0 и к (точки прохода напряжения сети через нуль) выпрямленным напряжением u. В первичной обмотке трансформатора в это время протекает переменный тока i, который является также симметричным по форме относительно точек 0 и π. Одновременно в этот же момент времени закрывают транзистор 23 путем снятия с него сигнала управления с фазой α, который был открыт в предыдущем полупериоде напряжения в момент времени ωt=π-25°. Между транзистором 23 и тиристорами плеч 12, 15 или 13, 14 происходит коммутация тока (ток тиристоров плеч 12, 15 или 13, 14 возрастает от нуля до установившегося значения, а ток транзистора 23 спадает от установившегося значения до нуля). С этого момента времени в каждом (первом и втором) полупериоде напряжения ток генератора 27, преодолевая выпрямленное напряжение инвертора, проходит не только по цепи 25, но и поступает через тиристоры плеч 12, 15 или 13, 14 в обмотку секции 4 и далее путем трансформации в первичную обмотку поступает в сеть. Далее, в момент времени ωt=π-25° в каждом полупериоде напряжения включают транзистор 23 путем подачи на него сигнала управления с фазой βp. Транзистор 23 открывается благодаря более высокому потенциалу напряжения генератора 27 на его коллекторе по отношению к напряжению секции 4 вторичной обмотки трансформатора. Включение транзистора 23 вызывает закрытие тиристоров плеч 12, 15 или 13, 14 в зависимости от номера полупериода напряжения и между ними происходит процесс коммутации, когда ток тиристоров плеч 12, 15 или 13, 14 спадает от установившегося значения до нуля, а ток транзистора 23 возрастает от нуля до установившегося значения. Далее до конца первого полу периода напряжения (точки π) и затем от начала второго полупериода до момента времени ωt=25° открыты только транзистор 23 и диод 22, через которые происходит разряд электроэнергии генератора 27. На этом интервале времени (от ωt=π-25° и до ωt=25°) тиристоры плеч 12, 15 и 13, 14 закрыты и со стороны секции 4 вторичной обмотки трансформатора в цепь 25 напряжение и ток не поступают, т.е. выпрямленное напряжение u=0 и переменный ток i=0. На этом интервале времени в цепи 25 протекает ток, образованный только разрядом электроэнергии генератора. В результате, на этом интервале времени возврата активной электроэнергии из генератора в сеть не происходит и она вся тратится на создание электромагнитного тормозного момента генератора, с помощью которого через механический редуктор каждая колесная пара электровоза оказывают электрическое торможение составу грузового поезда на уклоне профиля пути железной дороги. В дальнейшем, по мере одновременного перемещения (регулирования) фазы отпирающих сигналов управления α вправо от момента времени ωt=25° и фазы отпирающих сигналов управления βр влево от момента времени ωt=π-25° происходит постепенное уменьшение в среднем величины выпрямленного напряжения u и переменного тока i и увеличение тока генератора 27 при неизменной величине ЭДС генератора. Диапазон регулирования для сигналов управления α заканчивается в момент времени ωt=85°, а для сигналов управления βр в момент времени ωt=π-85°=95°. В эти моменты времени напряжение u и ток i становятся в среднем минимальными для первой зоны регулирования. Причем угол сдвига фаз ϕ между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза имеет небольшую величину и приближается к нулю, а коэффициент мощности выпрямителя имеет наибольшую величину и приближается к 1. На фиг. 3 в качестве примера представлены процессы работы инвертора на первой зоне в обоих полупериодах напряжения сети в момент времени ωt=60° для фазы сигналов управления α, подаваемых для открытия тиристоров плеч 12, 15 или 13, 14, и в момент времени ωt=π-60°=120° для фазы сигналов управления β, подаваемых для открытия транзистора 23. Одновременно в момент времени ωt=60° происходит закрытие транзистора 23 путем снятия с него сигналов управления и подачи обратного напряжения на его эмиттер-коллекторный переход при открытии тиристоров плеч 12, 15 или 13, 14. Открытие транзистора 23 происходит в момент времени ωt=π-60°=120° для фазы сигналов управления βр, подаваемых на его управление. Диапазон регулирования Δα для сигналов α лежит в пределах от ωt=25° до ωt=85°, а диапазон Δβ для сигналов β - в пределах от ωt=π-25° до ωt=π-85°.
d
Присутствие конденсатора 28 и второго диода 29 в схеме разрядной цепочки 24 не оказывает влияния на работу инвертора, так как полярность выпрямленного напряжения u меняется на обратную по сравнению с выпрямителем и они не участвуют в работе инвертора.
Работа инвертора на 2, 3 и 4 зонах регулирования и процессы регулирования выпрямленного напряжения на них осуществляются аналогично работе и процессам инвертора на этих зонах, описанным в прототипе.
Последовательное подключение к диоду 22 транзистора 23, который своим выключением в каждом полупериоде бесконтактно отключает цепочку 24 от катодной шины 20 преобразователя, приводит к повышению надежности работы преобразователя в режиме как выпрямителя, так и инвертора на первой зоне регулирования.
Процессы работы преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора на первой зоне регулирования, описанные в заявочных материалах, были получены путем математического моделирования силовой схемы электровоза типа ВЛ80Р. Процессы математического моделирования показали, что по сравнению с преобразователем-прототипом коэффициент мощности предлагаемого преобразователя на первой зоне при номинальной нагрузке значительно повысился - в режиме выпрямителя увеличился с 0,65 до 0,96, т.е. на 32%, а в режиме инвертора с 0,61 до 0,95, т.е. на 35%.