УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 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 четырехзонных выпрямительно-инверторных преобразователей на электровозах, 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 в обоих режимах. Проблема заключается в обеспечении высокого коэффициента мощности четырехзонного преобразователя электровоза за счет уменьшения угла ϕ.
Известны различные пути повышения коэффициента мощности четырехзонного преобразователя за счет уменьшения угла ϕ. Одним из путей повышения коэффициента мощности преобразователя является присоединение к его выходным (катодной и анодной) шинам разрядного силового диода, через который в режиме выпрямителя разряжается накопленная в индуктивности цепи выпрямленного тока нагрузки реактивная энергия. Также известны различные устройства включения и выключения силового диода между катодной и анодной шинами преобразователя при его работе в режимах выпрямителя и инвертора. Одним из таких устройств является последовательное подключение к силовому диоду силового полупроводникового управляемого прибора - тиристора, который своим открытием включает диод и закрытием выключает диод.
Известен силовой выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства [1 - Патент на полезную модель №176 455 РФ, МПК Н02М 7/00, авторы Морев А.И., Уланов М.Д.; ОАО «Электровыпрямитель» (RU). - Заявка №2017100483; Заявлено 09.01.2017; Опубл. 19.01.2018, бюл. №2], выбранный в качестве аналога и предназначенный для выпрямления однофазного переменного тока в постоянный в режиме тяги и для преобразования постоянного тока в однофазный переменный ток частоты 50 Гц в режиме рекуперативного торможения электровоза. Преобразователь выполнен в виде сварного каркаса из профильной стали, в котором крепятся тиристорные блоки, разрядное диодное плечо и другие вспомогательные блоки и элементы.
Он содержит сварной каркас из профильной стали, на лицевой и обратной сторонах которого установлены блоки тиристоров в количестве восьми плеч, соединенные токопроводящими шинами таким образом, что образуют четыре зоны на основе параллельных однофазных мостов, на лицевой стороне расположены разрядное силовое диодное плечо, входные контакты для подключения переменного напряжения и выходные контакты для подключения тяговых двигателей электровоза и шунтирующего их разрядного силового диодного плеча. Кроме того, на торцевых наружных и внутренних стенках каркаса установлены защитные RC-цепи, выравнивающие резисторы, блоки формирования управляющих импульсов и блоки импульсных трансформаторов, а на верхней раме каркаса закреплены клеммные блоки для подключения микропроцессорной системы управления движением электровоза и разъем для подключения выносного блока диагностики.
Достоинством данного силового выпрямительно-инверторного преобразователя является повышение эффективности работы преобразователя путем расширения его функциональных возможностей за счет обеспечения повышения коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя в результате перевода накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку. Этот перевод осуществляется путем шунтирования цепи выпрямленного тока разрядным силовым диодным плечом. Благодаря такому шунтированию уменьшается реактивная и увеличивается активная составляющие полной энергии переменного тока сети, выпрямляемого преобразователем для потребления тяговыми двигателями, что и повышает коэффициент мощности электровоза.
Недостатком такого преобразователя является недостаточное повышение коэффициента мощности (в номинальном режиме работы выпрямителя коэффициент повышается с величины 0,84 до 0,86). Кроме того, включение разрядного диодного плеча при возникновении режима выпрямления и его отключение от анодной шины при прекращении этого режима и переводе преобразователя в режим инвертора производится с помощью механического силового контакта переключателя, что снижает надежность работы преобразователя.
7
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту и достигаемому результату является многозонный выпрямитель однофазного переменного тока [2- Патент на полезную модель №54704 РФ, МПК Н02М 5/12, авторы С.В. Власьевский, А.К. Бабичук, О.В. Мельниченко; ДВГУПС(РФ). - Заявка №2006100380/22; Заявлено 10.01.2006; Опубл. 10.07.2006, бюл. №19], выбранный в качестве прототипа и предназначенный для выпрямления однофазного переменного тока в постоянный в режиме тяги электровоза.
0
рег
0
Он содержит однофазный трансформатор, шесть цепочек управляемых вентилей - тиристоров, каждая из которых состоит из двух последовательно включенных тиристоров, разрядный силовой диод и индуктивное сопротивление, включенные последовательно друг с другом, и цепь выпрямленного тока, состоящую из тягового двигателя (нагрузка), соединенного последовательно со сглаживающим реактором. Трансформатор имеет первичную обмотку и вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций с равным количеством витков и выводами от каждой из них. 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 - анодную и катодную шины постоянного тока. Первые две цепочки тиристоров, подключенные к выводам первой секции, образуют первую зону регулирования. Вторая зона образована присоединением к первой зоне следующей секции с помощью пары соответствующих тиристоров (цепочки из двух тиристоров) и так далее аналогичным образом до пятой зоны. К анодной и катодной шинам подключены параллельно друг другу цепи выпрямленного тока и разрядного силового диода с индуктивным сопротивлением. Причем катодная шина присоединена к катоду разрядного силового диода, анод разрядного силового диода к одному выводу индуктивного сопротивления, а к его другому выводу присоединена анодная шина выпрямителя. В результате, многозонный выпрямитель на первой зоне осуществляет глубокое регулирование напряжения на тяговом двигателе, при котором в интервалы закрытого состояния тиристоров в каждом полупериоде переменного напряжения создается буферный контур разряда накопленной реактивной энергии в цепи выпрямленного тока через разрядный силовой диод в нагрузку, что повышает коэффициент мощности выпрямителя. На всех остальных зонах, начиная со второй, осуществляется зонно-фазовое регулирование напряжения на тяговом двигателе с организацией одновременной основной (сетевой) коммутации тока тиристоров. На этих зонах в начале каждого полупериода напряжения начинает проводить ток разрядный силовой диод, разряжая через себя в нагрузку, накопленную в индуктивности цепи выпрямленного тока реактивную энергию. Разряд реактивной энергии в нагрузку продолжается до тех пор, пока не откроются соответствующие тиристоры, предназначенные для работы в выбранной зоне регулирования согласно алгоритма управления, на которые подаются импульсы управления с нерегулируемой фазой α. Само регулирование напряжения в пределах зоны осуществляется путем подачи импульсов управления α с регулируемой фазой на тиристоры, аноды которых соединены с выводом секции вторичной обмотки трансформатора, образующей последующую зону и имеющей более высокий потенциал по сравнению с выводом секции, соединенной с анодами тиристоров, образующих предыдущую зону и открытых в данном полупериоде путем подачи на них импульсов управления с нерегулируемой фазой α. Во время открытого состояния разрядного силового диода выпрямленное напряжение выпрямителя равно нулю, что означает отсутствие возврата реактивной энергии в сеть.
0
Достоинство известного многозонного выпрямителя является повышение коэффициента мощности. С одной стороны, это обусловлено тем, что в выпрямителе применена одновременная коммутация тока тиристоров, которая ускоряет процесс основной коммутации, что приводит к уменьшению величины угла α, а, следовательно, и к уменьшению угла сдвига фаз ϕ. С другой стороны, в выпрямителе применено шунтирование цепи выпрямленного тока цепью из разрядного диода и индуктивного сопротивления, в результате чего происходит перевод реактивной энергии, накопленной в индуктивности цепи выпрямленного тока, в нагрузку, что увеличивает использование полезной энергии тяговым двигателем. При этом благодаря включению в цепь разрядного силового диода индуктивного сопротивления создается ограничение величины и интенсивности нарастания (скорости изменения) тока разряда накопленной реактивной энергии в цепи выпрямленного тока через разрядный диод, что снижает вероятность пробоя диода и тем самым повышает надежность работы выпрямителя.
Недостатком такого многозонного выпрямителя является недостаточное повышение его коэффициента мощности (в номинальном режиме работы выпрямителя коэффициент повышается с величины 0,84 до 0,88).
Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства для повышения коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя на тиристорах, отличающегося от известных более значительным повышением коэффициента мощности преобразователя электровоза в режиме тяги и повышением надежности его работы.
Технический результат, получаемый от предлагаемой полезной модели, проявляется в повышении коэффициента мощности и повышении надежности работы преобразователя за счет перевода накопленной в индуктивности цепи выпрямленного тока реактивной энергии в тяговые двигатели (нагрузку) с помощью электрической цепи, состоящей из разрядного силового диода и второго силового диода, тиристора, конденсатора и предохранителя, и организации раздельной коммутации тиристоров плеч преобразователя, а также за счет бесконтактного включения и выключения электрической цепи с помощью ее тиристора.
Предлагается устройство для повышения коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя однофазного переменного тока, выполненное в виде блока реактивного тока, в котором имеются разрядный силовой диод и второй силовой диод, силовой тиристор, конденсатор, предохранитель и два вывода. Эти элементы соединены между собой таким образом, что образуют электрическую цепь из последовательно включенных разрядного силового диода, силового тиристора и предохранителя, причем параллельно разрядному силовому диоду включен конденсатор, а встречно-параллельно силовому тиристору включен второй силовой диод. Первый из двух выводов блока реактивного тока присоединен к предохранителю, а второй к аноду разрядного силового диода. Блок реактивного тока с помощью своих выводов подключается к катодной и анодной шинам выпрямительно-инверторного преобразователя, причем первый вывод подключается к катодной шине, а второй вывод к анодной шине выпрямительно-инверторного преобразователя.
Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.
Предлагаемое техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, так как оно предназначено для применения в модернизируемых выпрямительно-инверторных преобразователях, прошедших капитальный ремонт.
На фиг. 1 представлена упрощенная силовая схема электровоза с предлагаемым устройством для повышения коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя однофазного переменного тока на основе заявляемого технического решения.
1
1
1
Силовая схема электровоза состоит из трансформатора 1 однофазного переменного тока, первичная обмотка которого с выводами А-Х присоединена к сети переменного однофазного тока с напряжением U, а вторичная обмотка в виде последовательно включенных трех секций с выводами a, 1, 2, x присоединена к средним точкам цепочек VS1-VS2, VS3-VS4, VS5-VS6, VS7-VS8, состоящих из соответствующих двух последовательно включенных силовых тиристорных плеч, которые образуют в целом выпрямительно-инверторный преобразователь II. Катоды тиристоров нечетных плеч VS1, VS3, VS5, VS7 присоединены к общей катодной шине К, а аноды тиристоров четных плеч VS2, VS4, VS6, VS8 присоединены к общей анодной шине А выпрямительно-инверторного преобразователя II. В результате, образуется силовая схема из четырех зон на основе параллельных однофазных мостов. К катодной шине К присоединен вывод 3, а к анодной шине А вывод 4 блока реактивного тока III. К этим же шинам присоединена цепь выпрямленного тока нагрузки IV, состоящая из сглаживающего реактора CP, последовательно соединенного с двумя параллельно включенными тяговыми двигателями, каждый из которых состоит из последовательно соединенных якоря Я и обмотки возбуждения ОВ.
Конструктивно устройство для повышения коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя однофазного переменного тока выполнено в виде отдельного блока реактивного тока III, который предназначен для размещения в высоковольтной камере электровоза недалеко от выпрямительно-инверторного преобразователя II. Блок реактивного тока III состоит из предохранителя F, двух силовых диодов - разрядного диода VD1 и второго диода VD2, силового тиристора VS9, конденсатора С, двух выводов 3, 4. Электрическая схема соединений элементов блока III состоит в следующем. Силовой диод VD1, силовой тиристор VS9 и предохранитель F соединены между собой последовательно, т.е. катод разрядного диода VD1 соединен с анодом тиристора VS9, а его катод с первым выводом предохранителя F, причем анод разрядного диода VD1 присоединен к выводу 4, а второй вывод предохранителя F присоединен к выводу 3 блока III. Параллельно разрядному силовому диоду VD1 включен конденсатор С, а встречно-параллельно силовому тиристору VS9 включен второй силовой диод VD2.
Смонтированный в высоковольтной камере электровоза блок реактивного тока III работает следующим образом. В соответствии с алгоритмом управления в выпрямительно-инверторном преобразователе происходит процесс открытия тиристоров плеч по зонам регулирования, с помощью которого осуществляется выпрямление переменного тока сети в постоянный. В результате, на тяговые двигатели
0
рег
0
с выходных выводов (шины К и А) преобразователя поступает определенная величина выпрямленного напряжения соответствующей зоны регулирования, которая задается МСУД. Например, на 4-й зоне выпрямленное напряжение на тяговых двигателях, согласно алгоритма управления, создается следующим образом (см. фиг. 1). В начале одного полупериода напряжения будут открываться тиристоры плеч VS3 и VS8 после подачи на них импульсов управления с нерегулируемой фазой α, а затем в пределах это полупериода будут открываться тиристоры плеча VS1 после подачи на них импульсов управления с регулируемой фазой α. В другом полупериоде подобно будут работать тиристоры плеч VS4 и VS7, а затем тиристоры плеча VS2. С помощью блока III основная коммутация тиристоров плеч при смене полупериодов разбивается на два интервала, образуя, таким образом, раздельную коммутацию. Сначала, с помощью напряжения конденсатора С и открытия тиристора VS9 закрываются тиристоры плеч VS3 и VS8 и тем самым образуется первый интервал основной коммутации. После него происходит интервал прохождения разряда накопленной в индуктивности выпрямленной цепи нагрузки IV реактивной энергии через открытые разрядный диод VD1 и тиристор VS9 блока III. Затем открываются тиристоры плеч VS4 и VS7 путем подачи на них импульсов управления с нерегулируемой фазой α. Их открытие приводит к закрытию тиристора VS9, в результате чего возникает второй этап основной коммутации тиристоров плеч преобразователя. Во время разряда реактивной энергии в тяговые двигатели через разрядный силовой диод VD1 и силовой тиристор VS9 из тягового трансформатора 1 не поступает электроэнергия сети, а значить нет и тока в его первичной обмотке. Это приводит к значительному уменьшению угла сдвига фаз ϕ между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора I электровоза, что увеличивает коэффициент мощности выпрямительно-инверторного преобразователя.
Предложенная схема устройства для повышения коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя позволяет осуществить шунтирование цепи выпрямленного тока нагрузки IV блоком III, при котором одновременно решаются две задачи: перевод накопленной в индуктивности цепи выпрямленного тока IV реактивной энергии в тяговые двигатели (нагрузку) и организация раздельной коммутации тиристоров плеч преобразователя II. Благодаря такому шунтированию уменьшается реактивная составляющая полной мощности переменного тока сети и увеличивается полезная мощность в месте ее потребления тяговыми двигателями, что и повышает коэффициент мощности электровоза. Испытания предложенного преобразователя на стенде мощностью 20 кВт в локомотивном депо Боготол показали существенное увеличение коэффициента мощности преобразователя на 4-й зоне регулирования с величины 0,84 до 0,96, т.е. на 12,5%.
Предложенное техническое решение устройства для повышения коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя позволяет осуществить выше описанные процессы его работы, результатом которых является повышение коэффициента мощности, а также улучшить эксплуатационные характеристики электровоза путем снижения его удельного расхода электроэнергии на тягу поездов вследствие повышения коэффициента мощности. Ожидаемый в эксплуатации  энергетический эффект работы электровоза с таким устройством при вождении тяжеловесных грузовых поездов оценивается в снижении электровозом удельного расхода электроэнергии на тягу поездов примерно на 10%.