СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЗАВИСИМЫМ ИНВЕРТОРОМ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD TO CONTROL DEPENDENT INVERTER OF SINGLE-PHASE AC CURRENT

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве зависимого, т.е. ведомого сетью, многозонного инвертора на электроподвижном составе, получающем питание от контактной сети однофазного переменного тока.
Эксплуатация многозонных инверторов на электроподвижном составе сопровождается использованием первой зоны регулирования напряжения в основном для электрического торможения электровоза со снижением его скорости до нуля (остановки). В этом режиме на первой зоне электрическая энергия в недостаточном количестве возвращается в сеть, а ее потребление в цепи генератора сопровождается резким снижением коэффициента мощности до нуля и, следовательно, значительным потреблением инвертором реактивной энергии сети.
Известны различные пути повышения возврата активной электрической энергии в сеть на первой зоне регулирования напряжения инвертора и, следовательно, коэффициента мощности инвертора на этой зоне. Одним из таких путей является увеличение интервала времени, на котором происходит процесс инвертирования электроэнергии постоянного тока генератора в сеть, и сокращение интервала времени потребления электроэнергии из сети в генератор.
Известен способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока, основанный на преобразовании электрической энергии постоянного тока генератора в энергию переменного тока сети посредством мостовой схемы [Б.Н.Тихменев, Л.М.Трахтман. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1980. - С.188-197].
Способ управления реализуется в зависимом инверторе однофазного переменного тока, который содержит двухобмоточный трансформатор, анодную и катодную группы управляемых вентилей, составляющих мостовую схему, сглаживающий реактор, генератор постоянного тока и балластный резистор. Катодная группа управляемых вентилей соединена с минусовой шиной постоянного тока, анодная группа управляемых вентилей - с плюсовой шиной постоянного тока инвертора. К этим шинам последовательно присоединены сглаживающий реактор, генератор постоянного тока и балластный резистор. Положительный полюс генератора через балластный резистор соединен с плюсовой, а отрицательный полюс генератора через сглаживающий реактор соединен с минусовой шинами моста.
Инвертор имеет одну зону регулирования выпрямленного напряжения.
Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока заключается в регулировании выпрямленного напряжения инвертора для осуществления в пределах одной зоны при электрическом торможении потребления генератором электрической энергии сети и возврата электрической энергии генератора в сеть (рекуперации).
рег
Регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется путем изменения величины угла опережения инвертора β и начинается с того, что источник напряжения сети питает первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подает напряжение на средние точки между катодной и анодной группами вентилей моста. Одновременно с напряжением вторичной обмотки трансформатора на два соответствующих однофазных управляемых вентиля моста (по одному в катодной и анодной группе) системой управления подаются импульсы управления с регулируемым углом опережения инвертора β, отсчитываемым от точки π (2π)в сторону точки 0 (π), в результате чего однофазные управляемые вентиля моста отпираются.
В итоге постоянный ток генератора протекает через эти вентили по вторичной обмотке трансформатора.
рег
В первом полупериоде напряжения сети на интервале времени от π-β до π напряжение генератора суммируется с напряжением инвертора. В цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов двух источников напряжения: генератора и вторичной обмотки трансформатора. В этом случае электроэнергия поступает из сети в генератор и он становится приемником электроэнергии сети, а вторичная обмотка трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.
рег
После смены полярности напряжения сети в точке π, когда наступает второй полупериод, постоянный ток генератора на интервале от π до 2π-β протекает во вторичной обмотке навстречу ее напряжению. При этом ток протекает навстречу напряжению обмотки трансформатора за счет большей величины напряжения генератора. Таким образом, постоянный ток генератора преобразуется (инвертируется) в переменный ток вторичной обмотки трансформатора, который через первичную обмотку поступает (возвращается) в сеть.
рег
рег
рег
Во втором полупериоде напряжения сети ток в обмотке трансформатора меняет свое направление на обратное. Это происходит в тот момент времени, когда два других однофазных управляемых вентиля моста отпираются также с углом β, в результате чего процесс инвертирования тока генератора проходит аналогично первому полупериоду. Длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения сети. Таким образом, ток в первичной обмотке трансформатора мостового инвертора возникает с момента подачи на вентили импульсов управления с углом β. Тем самым первая гармоника тока в первичной обмотке сдвигается относительно напряжения сети на угол φ, равный примерно углу β, который определяет величину коэффициента мощности инвертора.
рег
Процесс возврата электроэнергии генератора в сеть при регулировании угла β осуществляется только на интервале от π-β до π/2 в первом полупериоде и на интервале от 2π - β до 3π/2 - во втором полупериоде, а процесс потребления генератором электроэнергии сети - только на интервалах от π/2 до 0 и от π - β до π в первом полупериоде и на интервалах от 3π/2 до π и от 2π - β до 2π - во втором полупериоде.
рег
При регулировании угла β в сторону его увеличения в первом полупериоде на интервале от π-β до π/2 и во втором полупериоде на интервале от 2π-β до 3/2 π диапазон работы генератора в качестве приемника возрастает и, следовательно, растет поток электроэнергии, поступающий из трансформатора в генератор (режим выпрямления). Одновременно возврат электроэнергии, поступающей из генератора в сеть, снижается.
рег
В этом случае величина выпрямленного напряжения выпрямителя увеличивается, а инвертора уменьшается. При угле β=π/2 (3/2π) наступает равенство напряжений выпрямителя и инвертора. Так как эти напряжения имеют противоположные полярности, то результирующее напряжение инвертора становится равным нулю. С этого момента времени возврат электроэнергии генератора в сеть прекращается, так как потоки электроэнергии из сети в генератор и из генератора в сеть равны и противоположны. Коэффициент мощности инвертора в точке π/2 (3/2π) становится равным нулю.
рег
рег
Таким образом, при увеличении угла β возврат электроэнергии из генератора в сеть снижается, а потребление электроэнергии из сети в генератор повышается, что приводит к снижению коэффициента мощности инвертора, и при достижении угла β величины π/2 (3/2π) он становится равным нулю.
На интервале времени от π/2 до 0 в первом полупериоде и от 3π/2 до π во втором полупериоде инвертор полностью переходит в режим выпрямителя, напряжение которого суммируется с напряжением генератора, в результате чего генератор становится потребителем энергии сети. Это позволяет сохранить режим электрического торможения электровоза при отсутствии возврата электроэнергии генератора в сеть и равенстве нулю коэффициента мощности инвертора.
Достоинство такого способа управления заключается в простоте регулирования всего выпрямленного напряжения инвертора в течение каждого полупериода напряжения сети.
Недостаток такого способа управления заключается в незначительном возврате электроэнергии в сеть, что обусловлено процессом инвертирования электроэнергии постоянного тока генератора в сеть в первом полупериоде всего лишь на интервале от π-β до π/2 и во втором полупериоде на интервале от 2π-β до 3/2π, что составляет только около 1/2π. При этом величина выпрямленного напряжения, приходящегося на одну зону регулирования во время возврата электроэнергии генератора в сеть, составляет примерно 0,5 всего выпрямленного напряжения инвертора.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока, основанный на преобразовании электрической энергии постоянного тока генератора в энергию переменного тока сети посредством многозонной мостовой схемы [Б.Н.Тихменев, В.А.Кучумов. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - С.37-45].
Способ управления реализуется в зависимом инверторе однофазного переменного тока, который содержит многообмоточный трансформатор, многозонную мостовую схему из цепочек последовательно соединенных управляемых вентилей, образующих катодную и анодную группы, сглаживающий реактор, генератор постоянного тока и балластный резистор.
Многообмоточный трансформатор представляет собой первичную обмотку и вторичную обмотку из трех секций, из которых две малые секции имеют одинаковую величину напряжения, а напряжение третьей большой секции равно сумме напряжений первых двух.
Многозонная мостовая схема составлена из трех параллельных мостов, образующих четырехзонную схему инвертора из четырех цепочек последовательно соединенных управляемых вентилей, объединенных в катодную и анодную группы.
Выводы трех секций вторичной обмотки многообмоточного трансформатора присоединены к средним точкам цепочек многозонной мостовой схемы. Катодная группа управляемых вентилей соединена с минусовой шиной постоянного тока инвертора, анодная группа управляемых вентилей - с его плюсовой шиной постоянного тока. К этим шинам последовательно присоединены сглаживающий реактор, генератор постоянного тока и балластный резистор. Положительный полюс генератора через балластный резистор соединен с анодной, а отрицательный полюс генератора через сглаживающий реактор соединен с катодной шинами моста.
Инвертор имеет четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения, образованные с помощью трех секций и четырех цепочек управляемых вентилей. Каждая секция при образовании зон использована дважды. Первая малая секция использована на второй и четвертой зонах, вторая малая секция - на первой и третьей зонах и третья большая секция - на третьей и четвертой зонах. Первая зона образована с помощью второй малой секции и двух цепочек вентилей, присоединенных своими средними точками к выводам этой секции. Вторая зона образована с помощью первой и второй малых секций, присоединенных своими выводами к средним точкам соответствующих цепочек вентилей. Третья зона образована с помощью второй малой и третьей большой секций, присоединенных своими выводами к средним точкам соответствующих цепочек вентилей. Четвертая зона образована с помощью первой малой, второй малой и третьей большой секций, присоединенных своими выводами к средним точкам соответствующих цепочек вентилей.
Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока заключается в регулировании при электрическом торможении выпрямленного напряжения инвертора на четырех зонах в процессе потребления электроэнергии из сети и в процессе возврата электроэнергии генератора в сеть.
рег
Регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется путем изменения величины регулируемого угла опережения β на всех зонах и начинается с питания от сети первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого подает напряжение секций на средние точки цепочек четырехзонной мостовой схемы.
Все напряжение секций вторичной обмотки трансформатора распределяется на 4 зоны. На первую зону приходится 1/4, на вторую - 1/2, на третью - 3/4 и на четвертую зоны - 4/4 напряжения вторичной обмотки.
рег
В первой зоне регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется системой управления путем подачи импульсов управления с регулируемым углом β на два управляемых вентиля катодной группы и два управляемых вентиля анодной группы моста. В результате ток генератора протекает через эти вентили по вторичной обмотке трансформатора.
рег
рег
рег
рег
рег
рег
В первом полупериоде на интервале времени от π-β до π напряжение генератора суммируется с напряжением инвертора, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов двух источников напряжения, - генератора и вторичной обмотки трансформатора. В этом случае электроэнергия поступает из сети в генератор и он становится приемником электроэнергии сети, а вторичная обмотка трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления. После смены полярности напряжения сети в точке π, когда наступает второй полупериод, постоянный ток генератора на интервале времени от π до 2π-β протекает во вторичной обмотке навстречу ее напряжению. При этом ток протекает навстречу напряжению обмотки трансформатора за счет большей величины напряжения генератора. Постоянный ток генератора преобразуется (инвертируется) в переменный ток вторичной обмотки трансформатора, через первичную обмотку которого ток поступает (возвращается) в сеть. Во втором полупериоде напряжения сети ток в обмотке трансформатора меняет свое направление на обратное. Это происходит потому, что на интервале времени от 2π-β до π системой управления подаются импульсы управления с регулируемым углом β на соответствующие два управляемых вентиля моста, в результате чего процесс инвертирования тока генератора проходит аналогично первому полупериоду. Длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения сети. Таким образом, ток в первичной обмотке трансформатора мостового инвертора возникает с момента подачи на вентили импульсов управления с углом β. Тем самым его первая гармоника сдвигается относительно напряжения сети на угол φ, равный примерно углу β.
рег
рег
рег
При регулировании угла β в диапазоне от 2π-β до π/2 в сторону его увеличения интервал работы генератора в качестве приемника возрастает и, следовательно, растет поток электроэнергии, поступающий из трансформатора в генератор (режим выпрямления). Одновременно падает поток электроэнергии, поступающий из генератора в сеть (режим инвертирования). В этом случае величина выпрямленного напряжения выпрямителя увеличивается, а инвертора уменьшается. При угле β=π/2 (3π/2) наступает равенство напряжений выпрямителя и инвертора, которые имеют противоположные полярности, и результирующее напряжение инвертора становится равным нулю. С этого момента времени возврат электроэнергии генератора в сеть прекращается, так как потоки электроэнергии из сети в генератор и из генератора в сеть равны и противоположны. Коэффициент мощности инвертора в π/2 (3π/2) становится равным нулю.
рег
рег
рег
Таким образом, при регулировании выпрямленного напряжения инвертора электроэнергия постоянного тока генератора на интервале времени от 0 до 2 π используется для электрического торможения, в котором на интервале от π-β до π/2 в первом полупериоде и на интервале от 2π-β до 3/2π во втором полупериоде энергия генератора инвертируется, т.е. возвращается в сеть. В процессе регулирования напряжения инвертора угол β увеличивается вплоть до величины π/2 (3/2π), а коэффициент мощности при этом резко снижается с доведением его до нуля в точке π/2 (3/2π). На интервале времени от π/2 до 0 в первом полупериоде и от 3π/2 до π во втором полупериоде инвертор полностью переходит в режим выпрямителя, напряжение которого суммируется с напряжением генератора, в результате чего генератор становится потребителем энергии сети. Это позволяет сохранять режим электрического торможения электровоза, однако при этом возврат электроэнергии генератора в сеть отсутствует.
рег
Во второй, третьей и четвертой зонах регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется системой управления путем подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β системой управления на четыре управляемых вентиля моста данной зоны (по одному в катодной и анодной группах моста в каждом полупериоде) и путем подачи импульсов управления с регулируемым углом β на два управляемых вентиля моста предыдущей зоны (по одному в катодной или анодной группах моста в каждом полупериоде). В результате ток генератора протекает через эти вентили по вторичной обмотке трансформатора.
При регулировании выпрямленного напряжения инвертора второй, третьей и четвертой зонах электроэнергия постоянного тока генератора для электрического торможения используется на интервале времени от 0 до 2π.
При этом в первом полупериоде на интервале от π-β до 0 и во втором полупериоде на интервале от 2π-β до π ток в обмотке трансформатора протекает навстречу ее напряжению за счет большей величины напряжения генератора, что приводит к преобразованию постоянного тока генератора в переменный ток вторичной обмотки трансформатора, который через первичную обмотку ток поступает в сеть.
В первом полупериоде на интервале времени от π-β до π и во втором полупериоде на интервале времени от 2π-β до 2π напряжение генератора суммируется с напряжением инвертора, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов двух источников напряжения, - генератора и вторичной обмотки трансформатора. В этом случае электроэнергия поступает из сети в генератор и он становится приемником электроэнергии сети, а вторичная обмотка трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.
В результате во второй, третьей и четвертой зонах регулирования в первом полупериоде на интервале от π-β до 0 и во втором полупериоде на интервале от 2π-β до π электроэнергия генератора инвертируется, т.е. возвращается в сеть, а в первом полупериоде на интервале времени от π-β до π и во втором полупериоде на интервале времени от 2π-β до 2π генератор потребляет электроэнергию из сети. При регулировании выпрямленного напряжения инвертора величина регулируемого выпрямленного напряжения в указанных интервалах времени по этим зонам составляет 75% всего выпрямленного напряжения.
Таким образом, при регулировании выпрямленного напряжения инвертора полная величина регулируемого выпрямленного напряжения в указанных интервалах времени по всем четырем зонам составляет примерно 87,5% выпрямленного напряжения, что превышает 50% выпрямленного напряжения в аналоге. Увеличение величины выпрямленного напряжения приводит к повышению коэффициента мощности инвертора.
Достоинство такого способа управления заключается в повышении коэффициента мощности инвертора за счет увеличения величины регулируемого выпрямленного напряжения инвертора, при котором происходит возврат электроэнергии генератора в сеть. Это обусловлено тем, что возврат электроэнергии генератора в сеть в первом полупериоде на первой зоне происходит на интервале времени от π-β до π/2, на 2, 3 и 4-й зонах - на интервале от π - β до 0, а во втором полупериоде на первой зоне происходит на интервале времени от 2π-β до 3/2π, на 2, 3 и 4-й зонах - на интервале от 2π-β до π.
Однако увеличение коэффициента мощности инвертора остается недостаточным. Это обусловлено тем, что повышение коэффициента мощности инвертора происходит только на второй, третьей и четвертой зонах регулирования. Коэффициент мощности инвертора на первой зоне и возврат генератором электроэнергии в сеть на первой зоне остается прежним, как в аналоге. Возврат генератором электроэнергии осуществляется на малом интервале времени от π-β (2π-β) до π/2 (3/2 π), который составляет примерно 60°.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа управления зависимым инвертором однофазного переменного тока, который обеспечивает повышение коэффициента мощности инвертора в целом за счет повышения коэффициента мощности на первой зоне регулирования благодаря увеличению интервала времени инвертирования электроэнергии генератора в сеть на этой зоне и сокращению интервала времени потребления электроэнергии из сети в генератор.
рег
рег
рег
Для решения поставленной задачи в способе управления зависимым инвертором однофазного переменного тока, содержащим многообмоточный трансформатор с вторичной обмоткой, по крайней мере, с тремя секциями, катодную и анодную группы управляемых вентилей, образующих многозонную мостовую схему, по крайней мере, из четырех цепочек последовательно соединенных управляемых вентилей, и подсоединенные к минусовой и плюсовой шинам постоянного тока инвертора сглаживающий реактор, генератор постоянного тока и балластный резистор и в котором выводы трех секций вторичной обмотки трансформатора присоединены к средним точкам четырех цепочек, катодная группа управляемых вентилей соединена с минусовой шиной постоянного тока инвертора, анодная группа управляемых вентилей - с его плюсовой шиной постоянного тока, заключающемся в подаче на первой зоне регулирования импульсов управления с регулируемым углом β в первом полупериоде на управляемый вентиль второй цепочки катодный группы моста на интервале времени от 0 до π-β, во втором полупериоде - на управляемый вентиль третьей цепочки катодной группы моста на интервале времени от π до 2π-β, в подаче на последующих зонах регулирования на одну пару управляемых вентилей крайних цепочек соответствующих зон катодной и анодной групп моста в первом полупериоде импульсов управления с нерегулируемым углом β и в подаче на управляемый вентиль катодной группы предыдущей зоны регулирования во втором полупериоде импульсов управления с регулируемым углом β на интервале времени от π до 2π-β с последующей подачей на другую пару управляемых вентилей этих цепочек во втором полупериоде импульсов управления с нерегулируемым углом β, и на управляемый вентиль анодной группы предыдущей зоны регулирования в первом полупериоде импульсов управления с регулируемым углом β на интервале времени от 0 до π-β, на первой зоне регулирования импульсы управления с нерегулируемым углом β подают в первом полупериоде на управляемый вентиль третьей цепочки анодной группы моста, а во втором полупериоде - на управляемый вентиль второй цепочки анодной группы моста.
рег
Заявляемое решение отличается от известного способа управления зависимым инвертором однофазного переменного тока тем, что на первой зоне регулирования помимо импульсов управления с регулируемым углом β подают импульсы управления с нерегулируемым углом β в первом полупериоде на управляемый вентиль третьей цепочки анодной группы моста, а во втором полупериоде - на управляемый вентиль второй цепочки анодной группы моста при сохранении подачи импульсов управления на управляемые вентили на последующих зонах. Наличие отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Подача импульсов управления с нерегулируемым углом β в первом полупериоде на управляемый вентиль третьей цепочки анодной группы моста и во втором полупериоде на управляемый вентиль второй цепочки анодной группы моста на первой зоне регулирования обеспечивает повышение коэффициента мощности инвертора в целом.
Это обусловлено следующими причинами.
Подача на первой зоне регулирования в первом полупериоде импульсов управления с нерегулируемым углом β на управляемый вентиль третьей цепочки анодной группы моста приводит к неизменности интервала времени от β до π (2π) и к возникновению тока инвертора во вторичной обмотке трансформатора другой полярности. На этом интервале генератор потребляет минимальное количество электроэнергии сети.
рег
рег
С момента начала второго полупериода (в π) до подачи импульсов управления с регулируемым углом β образуется увеличенный интервал времени от π до 2π-β, на котором в открытом состоянии находятся по одному управляемому вентилю второй цепочки катодной группы и третьей цепочки анодной группы. Открытое состояние этих вентилей обеспечивает на этом интервале времени возврат электроэнергии генератора в сеть.
Таким образом, за счет подачи на первой зоне регулирования в первом полупериоде импульсов управления с нерегулируемым углом β происходит минимальное потребление электроэнергии сети и увеличение возврата электроэнергии генератора в сеть.
рег
рег
Подача на первой зоне регулирования во втором полупериоде импульсов управления с регулируемым углом β на управляемый вентиль третьей цепочки катодной группы моста приводит к окончанию возникшего в первом полупериоде во вторичной обмотке трансформатора тока инвертора и к образованию интервала времени от момента подачи импульсов управления с регулируемым углом β до 2π-β, на котором в открытом состоянии одновременно находятся управляемые вентили третьей цепочки. Открытое состояние этих вентилей замыкает накоротко между собой плюсовую и минусовую шины постоянного тока инвертора, что приводит к короткому замыканию цепи генератора, образуя буферный контур.
Образование буферного контура приводит к отключению одного из двух ранее включенных выводов секции вторичной обмотки трансформатора и к прекращению тока в этой обмотке. Отсутствие тока во вторичной обмотке трансформатора приводит к прекращению поступления электроэнергии от сети к генератору и к прекращению возврата электроэнергии от генератора в сеть. При этом электроэнергия генератора сохраняется в буферном контуре и расходуется на электрическое торможение электровоза.
Благодаря возникновению тока инвертора во вторичной обмотке трансформатора другой полярности в момент подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β и благодаря образованию буферного контура точка прохода первой гармоники тока трансформатора через ноль определяется величинами угла β и половины интервала времени действия буферного контура. В результате угол φ сдвига фаз между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора в основном определяется небольшой величиной угла β и будет несколько увеличиваться только при увеличении интервала времени действия буферного контура. В то же время благодаря образованию буферного контура значительно сокращается интервал времени потребления электроэнергии из сети в генератор.
Все это увеличивает возврат электроэнергии генератора в сеть на первой зоне регулирования, что повышает коэффициент мощности на первой зоне и соответственно повышает коэффициент мощности инвертора в целом.
Причинно-следственная связь «подача импульсов управления с нерегулируемым углом β в первом полупериоде на управляемый вентиль третьей цепочки анодной группы моста и во втором полупериоде на управляемый вентиль второй цепочки анодной группы моста на первой зоне регулирования обеспечивает повышение коэффициента мощности инвертора в целом за счет увеличения интервала времени возврата генератором активной электроэнергии в сеть и сокращения потребления генератором электроэнергии из сети» явным образом не следует из уровня техники.
Новизна причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».
Промышленная применимость заявляемого способа подтверждается и иллюстрируется фигурами.
На фиг.1 представлена принципиальная схема зависимого инвертора однофазного переменного тока, на котором реализуется способ его управления.
На фиг.2 представлена диаграмма процессов работы заявляемого зависимого инвертора на первой зоне регулирования.
На фиг.3 представлена диаграмма процессов работы заявляемого зависимого инвертора на одной из последующих зон регулирования, например на четвертой зоне регулирования.
Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока реализуется на зависимом инверторе однофазного переменного тока, который содержит многообмоточный трансформатор 1, многозонную мостовую схему 2 из цепочек 3 последовательно соединенных управляемых вентилей, образующих катодную 4 и анодную 5 группы, сглаживающий реактор 6, генератор постоянного тока 7 и балластный резистор 8 (см. фиг.1).
Многообмоточный трансформатор представляет собой первичную обмотку 9 и вторичную обмотку из трех секций 10, 11 и 12, из которых две малые секции 10 и 11 имеют одинаковую величину напряжения, а напряжение третьей большой секции 12 равно сумме напряжений первых двух 10, 11.
Многозонная мостовая схема 2 составлена из трех параллельных мостов, образующих четырехзонную схему инвертора из четырех цепочек 3. Каждая цепочка содержит пару последовательно соединенных управляемых вентилей, образующих катодную 4 и анодную 5 группы. Первая цепочка состоит из пары 13-14, вторая - из пары 15-16, третья - из пары 17-18 и четвертая - из пары 19-20 последовательно соединенных управляемых вентилей.
Выводы трех секций 10, 11, 12 вторичной обмотки многообмоточного трансформатора 1 присоединены к средним точкам цепочек 3 многозонной мостовой схемы 2. Катодная группа 4 управляемых вентилей соединена с минусовой 21 шиной постоянного тока инвертора, а анодная группа 5 управляемых вентилей - с его плюсовой 22 шиной постоянного тока. К этим шинам последовательно присоединены сглаживающий реактор 6, генератор постоянного тока 7 и балластный резистор 8.
Положительный полюс генератора 7 через балластный резистор 8 соединен с плюсовой 22, а отрицательный полюс генератора 7 через сглаживающий реактор 6 соединен с минусовой 21 шинами моста.
Инвертор имеет четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения, образованные с помощью трех секций 10, 11, 12 и четырех цепочек 3 управляемых вентилей. Каждая секция при образовании зон использована дважды. Первая малая секция 10 использована на второй и четвертой зонах, вторая малая секция 11 - на первой и третьей зонах и третья большая секция 12 - на третьей и четвертой зонах. Первая зона образована с помощью второй малой секции 11, второй и третьей цепочек 3 из управляемых вентилей 15-16 и 17-18, присоединенных своими средними точками к выводам этой секции. Вторая зона образована с помощью первой малой 10 и второй малой 11 секций, первой, второй и третьей цепочек 3 из управляемых вентилей 13-14, 15-16 и 17-18, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций. Третья зона образована с помощью второй малой 11 и третьей большой 12 секций, второй, третьей и четвертой цепочек 3 из управляемых вентилей 15-16, 17-18 и 19-20, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций. Четвертая зона образована с помощью первой малой 10, второй малой 11 и третьей большой 12 секций, первой, второй и четвертой цепочек 3 из управляемых вентилей 13-14, 15-16 и 19-20, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.
Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока заключается в регулировании при электрическом торможении выпрямленного напряжения инвертора на четырех зонах в процессе потребления электроэнергии из сети, возврата электроэнергии генератора в сеть и работы генератора без потребления электроэнергии из сети
рег
Регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется путем изменения величины регулируемого угла опережения β на всех зонах и начинается с питания от сети первичной обмотки 9 трансформатора 1, вторичная обмотка которого подает напряжение секций 10, 11, 12 на средние точки цепочек 3 четырехзонной мостовой схемы 2.
Все напряжение секций вторичной обмотки трансформатора распределяется на 4 зоны. На первую зону приходится ¼, на вторую - ½, на третью - ¾ и на четвертую зоны - 4/4 напряжения вторичной обмотки.
Процесс работы инвертора включает два цикла его функционирования, каждый их которых содержит интервал потребления (выпрямления) электроэнергии из сети, интервал возврата (инвертирования) электроэнергии генератора в сеть и интервал работы генератора без потребления электроэнергии из сети (буферный контур).
рег
На первой зоне в первом полупериоде напряжения сети, обозначенном на фиг.2 сплошной стрелкой, на интервале времени от 0 до π-β регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется системой управления путем подачи импульсов управления с регулируемым углом β и нерегулируемым углом β на управляемый вентиль 15 второй цепочки 3 катодной группы 4 и подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β на управляемый вентиль 18 третьей цепочки 3 анодной группы 5 моста.
В начале работы инвертора в первом цикле функционирования при отсутствии тока в цепи генератора 7 импульсы управления с нерегулируемым углом β в момент их подачи на управляемые вентили 15 и 18 отпирают их.
С этого момента времени на интервале от π-β до π через открытые управляемые вентили 15 и 18 происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор 7, при котором генератор становится приемником электроэнергии сети, а секция 11 вторичной обмотки трансформатора 1 - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.
На этом интервале напряжение генератора 7 суммируется с напряжением секции 11 вторичной обмотки трансформатора 1, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов двух источников напряжения: генератора 7 и секции 11 вторичной обмотки трансформатора 1. Данный ток используется для электрического торможения электровоза.
рег
После смены полярности напряжения сети в точке π, когда наступает второй полупериод, обозначенный на фиг.2 пунктирной стрелкой, постоянный ток генератора 7 на интервале времени от π до 2π-β протекает в секции 11 вторичной обмотки навстречу ее напряжению. При этом ток протекает навстречу напряжению секции 11 за счет большей величины напряжения генератора 7. Постоянный ток генератора 7 преобразуется в переменный ток секции 11 вторичной обмотки трансформатора 1, через первичную обмотку 9 которого ток возвращается в сеть. В этом случае электроэнергия поступает из генератора в сеть и она становится приемником электроэнергии, а генератор - источником этой энергии, что соответствует режиму инвертирования.
рег
На первой зоне во втором полупериоде напряжения сети на интервале времени от π до 2π-β регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется системой управления путем подачи импульсов управления с регулируемым углом β на управляемый вентиль 17 третьей цепочки 3 катодной группы 4 и подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β на управляемый вентиль 16 второй цепочки 3 анодной группы 5 моста.
рег
p
Подача импульсов управления с регулируемым углом β отпирает управляемый вентиль 17 с длительностью угла γ регулируемой коммутации. Открытое состояние управляемого вентиля 17 закрывает управляемый вентиль 15 катодной группы 4, который был открыт ранее в первом полупериоде с длительностью угла у основной коммутации.
б
рег
С момента открытия управляемого вентиля 17 генератор 7 прекращает процесс возврата своей электроэнергии в сеть. В этом случае ток генератора 7 из цепи малой секции 11 вторичной обмотки трансформатора через открытый управляемый вентиль 17 и работающий в этом полупериоде управляемый вентиль 18, который был открыт ранее в первом полупериоде, переходит в цепь выпрямленного тока инвертора, образуя буферный контур с длительностью угла γ. При этом ток генератора 7 от своего плюсового вывода протекает через балластный резистор 8, плюсовую шину 22, вентили 18 и 17, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовый вывод. В течение этого времени электроэнергия сети прекращает поступать в генератор и, соответственно, прекращается режим выпрямления инвертора. В то же время на интервале от 2π-β до 2π-β генератор 7 прекращает возврат своей электроэнергии в сеть и использует ее для электрического торможения электровоза.
В момент времени 2π-β импульсы управления с углом β отпирают управляемый вентиль 16. Открытие управляемого вентиля 16 закрывает управляемый вентиль 18 анодной группы 5, который был открыт ранее в первом полупериоде с длительностью угла у основной коммутации.
После закрытия управляемого вентиля 18 буферный контур прекращает свою работу и в инверторе возникает второй цикл его функционирования, во время которого на первой зоне во втором полупериоде ток в обмотке трансформатора меняет свое направление на обратное, и процесс работы инвертора проходит аналогично первому циклу.
рег
рег
б
б
рег
б
рег
рег
Таким образом, на первой зоне в первом полупериоде напряжения сети ток в первичной обмотке трансформатора возникает благодаря подаче на управляемый вентиль 18 третьей цепочки 3 анодной группы 4 импульсов управления с углом β и подаче на управляемый вентиль 15 второй цепочки 3 катодной группы 4 импульсов управления с углом β и углом β, а во втором полупериоде благодаря подаче на управляемый вентиль 17 третьей цепочки 3 катодной группы 4 импульсов управления с углом β и подаче на управляемый вентиль 16 второй цепочки 3 анодной группы 4 импульсов управления с углом β. Тем самым первая гармоника тока в первичной обмотке трансформатора сдвигается относительно напряжения сети на угол φ, равный примерно величине угла β+γ/2. Угол φ в заявляемом способе в основном определяется небольшой величиной угла β, который не регулируется, и интервалом времени действия буферного контура γ, который увеличивается при увеличении угла β. В результате угол φ несколько увеличивается только при увеличении γ и соответственно коэффициент мощности постепенно снижается и становится равным нулю только в конце регулирования, когда угол β достигает момента времени 0, π, 2π. В то же время благодаря образованию буферного контура значительно сокращается интервал времени потребления электроэнергии из сети в генератор, что увеличивает коэффициент мощности инвертора. В прототипе же угол φ определяется величиной β, который увеличивается при регулировании в сторону уменьшения выпрямленного напряжения инвертора, в результате чего коэффициент мощности быстро падает и становится равным нулю уже в момент времени π/2.
рег
Увеличение регулируемого угла β в обоих полупериодах напряжения сети, во-первых, увеличивает интервал работы буферного контура, что приводит к увеличению времени работы генератора в этом контуре без потребления электроэнергии из сети, а во-вторых, уменьшает величину выпрямленного напряжения и время возврата электроэнергии генератора в сеть, что приводит к увеличению тока генератора на небольшой скорости движения электровоза при его электрическом торможении.
рег
рег
На второй, третьей и четвертой зонах регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется системой управления путем подачи на одну пару управляемых вентилей крайних цепочек соответствующих зон катодной и анодной групп моста в первом полупериоде импульсов управления с нерегулируемым углом β и в подаче на управляемый вентиль катодной группы предыдущей зоны регулирования во втором полупериоде импульсов управления с регулируемым углом β на интервале времени от π до 2π-β с последующей подачей на другую пару управляемых вентилей этих цепочек во втором полупериоде импульсов управления с нерегулируемым углом β и на управляемый вентиль анодной группы предыдущей зоны регулирования в первом полупериоде импульсов управления с регулируемым углом β на интервале времени от 0 до π-β.
Так, например, на четвертой зоне в первом полупериоде напряжения сети, обозначенном на фиг.3 сплошной стрелкой, регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется системой управления путем подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β на пару управляемых вентилей, состоящую из управляемого вентиля 13 первой цепочки 3 катодной группы 4 и управляемого вентиля 20 четвертой цепочки 3 анодной группы 5 моста.
В начале работы инвертора в первом цикле функционирования при отсутствии тока в цепи генератора 7 импульсы управления с нерегулируемым углом β в момент их подачи на управляемые вентили 13 и 20 отпирают их.
С этого момента времени на интервале от π-β до π через открытые управляемые вентили 13 и 20 происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор 7, при котором генератор становится приемником электроэнергии сети, а вторичная обмотка трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления. Этот процесс происходит по следующему контуру электрической цепи тока: ток генератора 7 с плюсового вывода протекает через балластный резистор 8, плюсовую шину 22, управляемый вентиль 20, секции 12, 11 и 10 вторичной обмотки трансформатора 1, управляемый вентиль 13, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовой вывод.
На этом интервале напряжение генератора 7 суммируется с напряжением секций 10, 11 и 12 вторичной обмотки трансформатора 1, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов двух источников напряжения: генератора и вторичной обмотки трансформатора. Данный ток используется для электрического торможения электровоза.
После смены полярности напряжения сети в точке π, когда наступает второй полупериод, обозначенным на фиг.3 пунктирной стрелкой, постоянный ток генератора 7 на интервале времени от π до 2π-β протекает в секциях 10, 11, 12 вторичной обмотки навстречу ее напряжению. При этом ток протекает навстречу напряжению секций вторичной обмотки трансформатора за счет большей величины напряжения генератора. Постоянный ток генератора 7 преобразуется в переменный ток вторичной обмотки трансформатора 1, через первичную обмотку 9 которого ток возвращается в сеть. В этом случае электроэнергия поступает из генератора 7 в сеть и она становится приемником электроэнергии, а генератор - источником этой энергии, что соответствует режиму инвертирования.
рег
На четвертой зоне во втором полупериоде на интервале времени от π до 2π-β регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется системой управления путем подачи импульсов управления с регулируемым углом β на управляемый вентиль 15 катодной группы 4, который участвовал в работе инвертора на третьей (предыдущей) зоне в первом полупериоде в составе пары управляемых вентилей (15 и 20).
рег
Регулирование углом β в сторону его увеличения осуществляет уменьшение выпрямленного напряжения инвертора и тем самым увеличение тока генератора для поддержания постоянства скорости движения электровоза на спуске железной дороги при электрическом торможении электровоза, необходимой для обеспечения безопасности движения.
рег
рег
Подача импульсов управления с регулируемым углом β отпирает управляемый вентиль 15 с длительностью угла регулируемой коммутации γ. Открытие управляемого вентиля 15 закрывает управляемый вентиль 13 катодной группы 4, который был открыт ранее в первом полупериоде с длительностью угла основной коммутации γ.
При открытии управляемого вентиля 15 генератор 7 продолжает процесс возврата электроэнергии в сеть, но уже по другому контуру тока. В этом случае ток генератора 7 с плюсового вывода протекает через балластный резистор 8, плюсовую шину 22, управляемый вентиль 20, секции 12 и 11 вторичной обмотки трансформатора 1, управляемый вентиль 15, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовой вывод. Генератор 7 заканчивает возврат электроэнергии в сеть в момент времени 2π-β, когда подают импульсы управления с нерегулируемым углом β на другую пару управляемых вентилей, состоящую из управляемого вентиля 19 четвертой цепочки 3 катодной группы 4 и управляемого вентиля 14 первой цепочки 3 анодной группы 5 моста. С этого момента времени начинается второй цикл функционирования инвертора, в котором процесс работы инвертора проходит аналогично первому циклу.
В результате во второй, третьей и четвертой зонах регулирования в первом полупериоде на интервале от π-β до 0 и во втором полупериоде на интервале от 2π-β до π электроэнергия генератора инвертируется, т.е. возвращается в сеть, а в первом полупериоде на интервале времени от π-β до π и во втором полупериоде на интервале времени от 2π-β до 2π генератор потребляет электроэнергию из сети. При регулировании выпрямленного напряжения инвертора величина регулируемого выпрямленного напряжения в указанных интервалах времени по этим зонам составляет 75% всего выпрямленного напряжения.
Достоинство заявляемого способа управления заключается в увеличении коэффициента мощности инвертора в целом за счет повышения величины регулируемого выпрямленного напряжения инвертора, при котором происходит возврат электроэнергии генератора в сеть, и уменьшения потребления генератором электроэнергии сети.
Заявляемый способ реализован на математической модели зависимого инвертора электровоза переменного тока ВЛ80Р. Процессы моделирования работы инвертора показали, что величина выпрямленного напряжения инвертора на первой зоне составляет примерно 25% всего выпрямленного напряжения. При этом коэффициент мощности инвертора на этой зоне увеличился по сравнению с прототипом на 50% и в среднем составляет 0,5.
Таким образом, использование заявляемого способа управления зависимым инвертором однофазного переменного тока позволяет при регулировании увеличить величину выпрямленного напряжения по всем четырем зонам примерно до 100% всего выпрямленного напряжения, что превышает 87,5% выпрямленного напряжения в прототипе. Увеличение величины выпрямленного напряжения, при котором происходит возврат электроэнергии генератора в сеть, приводит в номинальном режиме к повышению коэффициента мощности инвертора в среднем примерно на 9%. В итоге коэффициент мощности инвертора составляет в среднем 0,725 против 0,660 в прототипе.