ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
REVERSIBLE CONVERTER

Изобретение относится к области преобразовательной техники преимущественно транспортного назначения и предназначено, в частности, для электроподвижного состава с рекуперативным торможением, получающего питание от сети переменного тока.
Известен выпрямительно-инверторный преобразователь, содержащий силовой тяговый трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена из нескольких секций и соединена с тяговыми электродвигателями через выпрямительные тиристорные мосты, при этом ТЭД подключены между анодной и катодной группами плеч выпрямительно-инверторного преобразователя (Электровоз ВЛ80Р. Руководство по эксплуатации. / Под ред. Б.А. Тушканова. - М.: Транспорт, 1985, с. 63-68).
Управление таким выпрямительно-инверторным преобразователем осуществляется путем подачи управляющих импульсов на тиристоры с фазовым сдвигом по отношению к моменту перехода кривой питающего напряжения через ноль. Возникающие при сетевой коммутация изменения тока коммутации могут иметь апериодический или колебательный характер в зависимости от параметров контактной сети и режима работы электроподвижного состава. При апериодическом характере изменения тока коммутации процесс коммутации в выпрямительно-инверторном преобразователе завершается относительно быстро, при колебательном - значительно дольше.
Увеличение интервала коммутации приводит к увеличению угла сдвига между напряжением и током и, как следствие, к снижению энергетических показателей преобразователя, в частности коэффициента мощности, а в некоторых случаях, при работе в режиме инвертирования, увеличение интервала сетевой коммутации приводит к «опрокидыванию» инвертора, возникновению короткого замыкания и нарушению режима электрического рекуперативного торможения.
Эти недостатки частично устранены в выпрямительно-инверторном преобразователе, содержащем силовой тяговый трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена из нескольких секций, соединена с тяговыми электродвигателями через выпрямительные тиристорные мосты, анодная группа плеч которых соединена с анодом первого дополнительного тиристора, а катодная - с катодом второго дополнительного тиристора, и узел принудительной коммутации, выполненный на коммутирующем конденсаторе, коммутирующем тиристоре и дросселе, соединенный одним выводом с катодом первого дополнительного тиристора, а другим - с анодом второго дополнительного тиристора, причем коммутирующий конденсатор подключен параллельно цепи из последовательно включенных коммутирующего тиристора и дросселя, описанном в авторском свидетельстве СССР №852660, кл. B60L 9/12, 1981, который следует рассматривать в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является зависимость напряжения на коммутирующем конденсаторе от тока нагрузки тяговых электродвигателей. При малых и средних значениях тока тяговых электродвигателей заряд коммутирующего конденсатора может оказаться недостаточным для принудительного запирания тиристоров преобразователя, что вызывает «опрокидывание» инвертора и срыв режима рекуперативного торможения.
Техническим результатом является расширение диапазона устойчивой работы выпрямительно-инверторного преобразователя.
Технический результат достигается тем, что в выпрямительно-инверторный преобразователь дополнительно введены перезарядный тиристор, зарядные тиристоры и источник зарядного напряжения, при этом источник зарядного напряжения выполнен в виде диодного моста, зажимы переменного тока которого подключены к одной из секций вторичной обмотки силового тягового трансформатора, зажимы постоянного тока подключены через зарядные тиристоры к соответствующим выводам узла принудительной коммутации, а перезарядный тиристор подключен встречно-параллельно коммутирующему тиристору.
Наличие дополнительных конструктивных элементов: источника зарядного напряжения, зарядных и перезарядного тиристоров и связи между ними обеспечивают устойчивую работу выпрямительно-инверторного преобразователя во всем диапазоне изменения тока нагрузки тяговых двигателей.
Существо предложения иллюстрируется на конкретном примере его исполнения, показанном на фиг. 1, где изображена принципиальная схема выпрямительно-инверторного преобразователя. На фиг. 2 приведены временные диаграммы токов и напряжений на элементах схемы преобразователя, поясняющие его работу.
На фиг. 1 приведена схема выпрямительно-инверторного преобразователя, содержащего силовой тяговый трансформатор 1, вторичная обмотка которого выполнена из нескольких секций и соединена с тяговыми электродвигателями 2 через выпрямительные тиристорные мосты 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10. Анодная группа плеч 4, 6, 8 и 10 соединена с анодом первого дополнительного тиристора 11, а катодная 3, 5, 7 и 9 - с катодом второго дополнительного тиристора 12. Узел принудительной коммутации, выполненный на коммутирующем конденсаторе 13, соединен одним выводом с катодом первого дополнительного тиристора 11, а другим - с анодом второго дополнительного тиристора 12. Коммутирующий конденсатор 13 зарядными тиристорами 14 и 15 подключен к соответствующим зажимам постоянного тока источника зарядного напряжения, выполненного в виде диодного моста 16, 17, 18 и 19, зажимы переменного тока которого подключены к одной из секций вторичной обмотки тягового трансформатора. Параллельно коммутирующему конденсатору подключена цепь из последовательно включенных коммутирующего тиристора 20 и дросселя 21, а встречно-параллельно коммутирующему тиристору подключен перезарядный тиристор 22.
c
c
cond
cond
vip
vip
На фиг. 2, а и 2, б приведены диаграммы u и i соответственно, напряжение на первичной обмотке силового тягового трансформатора и ток этой обмотки. Диаграммы u и i на фиг. 2, в и 2, г - это напряжение и ток коммутирующего конденсатора 13. Диаграммы u и i (фиг. 2, д и 2, е) - это напряжение и ток на выходе выпрямительно-инверторного преобразователя, т.е. на нагрузке 2.
Работа выпрямительно-инверторного преобразователя, связанная с регулированием величины напряжения на нагрузке, осуществляется так же, как и в типовом преобразователе, путем включения тиристоров с задержкой на угол регулирования после перехода кривой напряжения через ноль.
Сетевую коммутацию основных тиристоров 3-10 преобразователя благодаря наличию узла принудительной коммутации осуществляют иначе.
Для выполнения сетевой коммутации за несколько эл. град. до конца полупериода с помощью разрядных тиристоров 11 и 12 производится подключение предварительно заряженного коммутирующего конденсатора 13 параллельно выключаемым основным тиристорам преобразователя так, что напряжение коммутирующего конденсатора 13 прикладывается в обратном направлении к основным тиристорам 3-10. В результате чего проводящие тиристоры закрываются, а ток нагрузки начинает протекать через узел принудительной коммутации: тиристор 11, коммутирующий конденсатор 13 и тиристор 12. Это вызывает разряд и перезаряд коммутирующего конденсатора 13. Когда он перезаряжается, тиристоры 11 и 12 закрываются, отключая коммутирующий конденсатор 13, и одновременно с этим подаются управляющие импульсы на два из основных тиристоров (3-10) согласно алгоритму, которые начинают открываться. Когда они полностью откроются, сетевая коммутация завершается. При этом ток нагрузки остается непрерывным (рис. 2, е), плавно переходя между основными тиристорами преобразователя и узлом принудительной коммутации.
1
0
0з
c
2
На диаграммах фиг. 2 показано, что на интервале времени t в самом начале полупериода завершается принудительная сетевая коммутация, начавшаяся на предыдущем полупериоде. Импульсы управления α и α подаются одновременно на соответствующие основные тиристоры преобразователя, которые начинают открываться, что сопровождается нарастанием тока сети i до нормального значения работы под нагрузкой. Поскольку на интервале принудительной сетевой коммутации, начавшейся на предыдущем полупериоде, перезаряд коммутирующего конденсатора 13 происходит током нагрузки, то в случае малого тока нагрузки коммутирующий конденсатор не перезарядится. Поэтому эта перезарядка выполняется принудительно: через несколько эл. град. после начала полупериода коммутирующий конденсатор 13 с помощью перезарядного тиристора 22 и дросселя 21 перезаряжается в отрицательную полярность (фиг. 2, в), это «первая» перезарядка коммутирующего конденсатора на рассматриваемом полупериоде. По завершению перезарядки на разрядных тиристорах 11 и 12 появляется обратное напряжение, они закрываются, и коммутирующий конденсатор 13 отключается от силовой цепи, ток конденсатора становится равным нулю (фиг. 2, г) в начале интервала времени t.
3
На интервале времени t выполняется «вторая» на полупериоде перезарядка коммутирующего конденсатора 13 с помощью коммутирующего тиристора 20 и дросселя 21. На конденсаторе восстанавливается положительная полярность (фиг. 2, в).
4
5
По окончанию интервала времени включают зарядные тиристоры 14, 15 и происходит дозаряд коммутирующего конденсатора 13 от источника зарядного напряжения. Коммутирующий конденсатор 13 за время t заряжается до уровня, соответствующего амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора, питающей источник зарядного напряжения, после чего зарядные тиристоры запираются, и конденсатор готов к следующей коммутации. На интервале времени t продолжается обычная работа преобразователя в режиме тяги.
6
В начале интервала времени t начинается принудительная сетевая коммутация подачей импульсов управления на разрядные тиристоры 11 и 12. Напряжение коммутирующего конденсатора 13 прикладывается в обратном направлении к основным тиристорам преобразователя, вызывая их закрытие. При этом ток нагрузки начинает проходить через коммутирующий конденсатор 13, вызывая его разряд и перезаряд (фиг. 2, г).
Таким образом, можно смещать момент начала принудительной коммутации так, чтобы обеспечивались максимальные энергетические показатели и коэффициент мощности преобразователя. Угол коммутации сокращается до 2-3 эл. град. в режимах тяги и рекуперативного торможения во всем диапазоне токов тяговых электродвигателей благодаря стабильной принудительной сетевой коммутации предлагаемого выпрямительно-инверторного преобразователя.
Таким образом, предлагаемый выпрямительно-инверторный преобразователь обеспечивает стабильную и надежную работу преобразователя в режимах тяги и рекуперативного торможения и благодаря увеличению коэффициента мощности до значений 0,95 обеспечивает на 5% снижение расхода электроэнергии на тягу поездов.