ЗАВИСИМЫЙ МНОГОЗОННЫЙ ИНВЕРТОР ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
GRID-CONTROLLED INVERTER OF SINGLE-PHASE ALTERNATING CURRENT

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве зависимого, т.е. ведомого сетью, инвертора на электроподвижном составе, получающем питание от контактной сети однофазного переменного тока.
Эксплуатация многозонных инверторов на электроподвижном составе сопровождается невысоким коэффициентом мощности за счет достаточно большого угла сдвига фаз φ между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора. Это вызывает значительное потребление инвертором реактивной энергии сети.
Большая величина угла сдвига фаз φ вызывается достаточно большой величиной угла опережения β, под которым понимается интервал времени от начала подачи импульсов управления на вентили, вступающие в очередной цикл работы инвертора, до момента π прохода кривой переменного напряжения сети через нуль. В составе этого угла находится большой угол запаса δ, необходимый для восстановления запирающей способности управляемых вентилей, и значительный угол естественной коммутации γ токов вентилей инвертора, вызываемый большими величинами тока нагрузки (ток генератора постоянного тока) и реактивного сопротивления цепи переменного тока инвертора. Известны различные пути повышения коэффициента мощности инвертора за счет уменьшения угла опережения β, а следовательно, и угла сдвига фаз φ. Одним из таких путей является уменьшение угла естественной коммутации γ тока вентилей инвертора и уменьшение длительности угла запаса δ.
Известен зависимый инвертор однофазного переменного тока, работающий по мостовой схеме [Б.Н.Тихменев, Л.М.Трахтман. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1980. - С.188-197]. Он содержит трансформатор и две цепочки управляемых вентилей. Трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки. Каждая цепочка состоит из пары последовательно соединенных управляемых вентилей. Таким образом, инвертор имеет одну зону регулирования выпрямленного напряжения.
Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику питания однофазного переменного напряжения сети, а выводы вторичной обмотки соединены с соответствующими средними точками цепочек. Крайние точки двух цепочек подключены к анодной и катодной шинам моста. 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.
Устройство работает следующим образом. Источник напряжения сети питает первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подает напряжение на средние точки цепочек вентилей моста. В первом полупериоде напряжения сети два соответствующих однофазных вентиля моста (по одному в каждой цепочке) отпираются с углом (фазой) β, в результате чего постоянный ток генератора протекает через эти вентили по вторичной обмотке трансформатора. После смены полярности напряжения сети в точке π постоянный ток генератора протекает в обмотке против ее напряжения. Ток преодолевает напряжение обмотки трансформатора за счет большей величины напряжения генератора. Таким образом, постоянный ток генератора преобразуется (инвертируется) в переменный ток вторичной обмотки трансформатора, через первичную обмотку которого ток поступает в сеть. Во втором полупериоде напряжения сети ток в обмотке трансформатора меняет свое направление на обратное. Это происходит потому, что два других однофазных 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. Однако ток в первичной обмотке трансформатора мостового инвертора возникает с момента начала угла β. Тем самым его первая гармоника сдвигается относительно напряжения сети на угол φ, равный примерно углу β. В процессе регулирования напряжение инвертора угол β увеличивается вплоть до величины π/2. В результате коэффициент мощности резко снижается с увеличением угла β.
Достоинством известного зависимого инвертора является простота построения силовой схемы инвертора.
Недостаток известного зависимого инвертора заключается в том, что его коэффициент мощности является низким за счет большого угла сдвига фаз φ, обусловленного большим углом опережения β при регулировании напряжения инвертора.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока с поочередной коммутацией тока управляемых вентилей [Б.Н.Тихменев, В.А.Кучумов. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - С.37-45]. Он содержит трансформатор и четыре цепочки управляемых вентилей (фиг.1). Трансформатор имеет первичную обмотку 1 и вторичную обмотку, выполненную в виде трех последовательно соединенных секций 2, 3, 4 с выводами 5, 6, 7, 8 от каждой из них. Первые две малые секции 2 и 3 имеют равное количество витков, а третья большая секция 4 имеет в два раза большее количество витков по сравнению с ними, т.е. равна сумме первых двух секций 2 и 3. Каждая цепочка состоит из пары 9-10, 11-12, 13-14, 15-16 последовательно соединенных управляемых вентилей. Первичная обмотка 1 трансформатора подключена к источнику питания 17 сети однофазного переменного тока, а выводы 5, 6, 7, 8 трех секций вторичной обмотки соединены с соответствующими средними точками цепочек 9-10, 11-12, 13-14, 15-16. Крайние точки этих цепочек образуют выводы постоянного тока - катодную 18 и анодную 19 шины многозонного инвертора. К этим шинам подключены последовательно соединенные сглаживающий реактор 20, генератор постоянного тока 21 и балластный резистор 22. Положительный полюс генератора 21 через балластный резистор 22 соединен с анодной 19, а отрицательный полюс через сглаживающий реактор 20 соединен с катодной 18 шинами инвертора.
Вторая 11-12 и третья 13-14 цепочки, подключенные к выводам 6 и 7 секции 3, образуют первую зону. Первая цепочка 9-10, подключенная к выводу 5 первой малой секции 2, и третья цепочка 13-14, подключенная к выводу 7 второй малой секции 3, образуют вторую зону. При переходе со 2-й на 3-ю зону происходит синхронный перевод нагрузки генератора с двух малых секций 2 и 3 на третью большую секцию 4. В результате третья зона образуется благодаря подключению второй цепочки 11-12 к промежуточному выводу 6 секции 2 и четвертой цепочки 15-16 к выводу 8 секции 4. Четвертая зона образуется благодаря подключению первой цепочки 9-10 к крайнему выводу 5 секции 2 и четвертой цепочки 15-16 к выводу 8 секции 4.
Таким образом, три секции с помощью четырех цепочек образуют четыре зоны, причем каждая секция используется дважды - первая малая секция 2 на второй и четвертой зоне, вторая малая секция 3 - на первой и третьей зоне и третья большая секция 4 - на третьей и четвертой зонах. В результате каждая зона, начиная со второй, образуется присоединением друг к другу цепочек двух секций.
d
Многозонный зависимый инвертор работает следующим образом. От источника 17 питания сети напряжение поступает на первичную обмотку 1 трансформатора и через секции 2, 3, 4 напряжение вторичной обмотки подается на средние точки цепочек 11-12, 13-14, 15-16 вентилей моста. Первая зона (см. фиг.2) представляет собой схему обычного управляемого моста из двух цепочек 11-12 и 13-14 вентилей. Напряжение секции 2 подается на средние точки этих цепочек. Например, в конце первого полупериода, обозначенного на фиг.2 стрелкой (←), два однофазных вентиля 11, 14 отпираются с углом β, а в конце второго полупериода, обозначенного стрелкой (→), два других однофазных вентиля 12, 13 отпираются с таким же углом β. В результате в каждом полупериоде постоянный ток генератора 21 протекает по обмотке секции 2 через соответствующие два однофазных вентиля (11, 14 или 12, 13) то в одном, то в другом направлении. Причем после смены полярности напряжения сети в точке π, 2π и т.д. постоянный ток генератора 21 протекает в секции 2 против направления ее напряжения. Ток преодолевает напряжение секции 2 за счет большей величины напряжения генератора 21. Таким образом, постоянный ток генератора 21 в каждом полупериоде, начиная с момента времени π, 2π и т.д., преобразуется (инвертируется) в переменный ток секции 2 вторичной обмотки трансформатора, который через его первичную обмотку 17 далее поступает в сеть. Длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения сети. Ток в первичной обмотке 17 трансформатора возникает с момента начала угла β. Тем самым его первая гармоника сдвигается относительно напряжения сети на угол φ, равный примерно углу β. Изменением (увеличением) угла β управляющих импульсов в сторону начала полупериода напряжения сети инвертор регулирует свое выпрямленное напряжение U. Причем при регулировании фазы импульсов управления в диапазоне углов от β до π/2 генератор 21 инвертирует ток в сеть, а при регулировании в диапазоне от π/2 до 0 генератор 21 прекращает инвертировать ток в сеть и происходит уже выпрямление переменного тока, т.е. потребление генератором тока из сети. В результате коэффициент мощности инвертора на первой зоне резко снижается с увеличением угла β.
p
На второй, третьей и четвертой зонах (фиг.1 и 3) инвертор осуществляет зонно-фазовое регулирование напряжения. В этом случае в каждом полупериоде напряжения сети два соответствующих однофазных вентиля данной зоны отпираются с углом β поочередно. Затем после смены в точках π, 2π и т.д. полярности напряжения сети соответствующий однофазный вентиль предыдущей зоны отпирается с углом α для регулирования напряжения внутри зоны. В результате естественная коммутация вентилей инвертора в цепи переменного тока осуществляется дважды: первый раз - основная (угол γ), начиная с фазы β, а затем после смены полярности напряжения второй раз - дополнительная фазовая (угол γ) при регулировании напряжения инвертора с помощью угла α внутри зоны. Например, на четвертой зоне в полупериод, обозначенный на фиг.3 стрелкой (←), вентили 9 и 16 отпираются с углом β, а затем после смены полярности напряжения сети в точке π вентиль 11 предыдущей (третьей) зоны отпирается с углом α. В другой полупериод, обозначенный стрелкой (→), вентили 10 и 15 отпираются с углом β, а затем после смены полярности напряжения сети в точке 2π вентиль 12 предыдущей (третьей) зоны отпирается с углом α.
/
/
Основная коммутация в многозонном инверторе на второй и последующих зонах организуется поочередно в два этапа: сначала в большом, а затем в малом контурах, образованных соответствующими коммутируемыми вентилями и секциями вторичной обмотки. Например, на четвертой зоне в конце первого полупериода, обозначенного на фиг.3 стрелкой (←), первый однофазный вентиль 9 отпирается с углом β, в результате чего первый противофазный вентиль 15 закрывается. Эти открытые вентили закорачивают последовательно соединенные секции 2, 3, 4 вторичной обмотки трансформатора и образуют вместе с ними большой контур коммутации с длительностью угла коммутации γ (см. диаграммы токов вентилей 9 и 15 на фиг.3). Окончание коммутации большого контура определяет начало угла запаса δ для первого противофазного вентиля 15, длительность которого измеряется от момента окончания угла коммутации γ до точки π.
/
//
/
//
//
После окончания коммутации большого контура происходит коммутация в малом контуре. В этом контуре второй однофазный вентиль 16 отпирается с задержкой угла β на величину угла коммутации γ по сравнению с первым однофазным вентилем 9, в результате чего второй противофазный вентиль 12 начинает закрываться. Эти открытые вентили закорачивают последовательно соединенные секции 3, 4 вторичной обмотки трансформатора и образуют вместе с ними малый контур коммутации с длительностью угла коммутации γ (см. диаграммы токов вентилей 12 и 16 на фиг.3). Такой принцип организации основной коммутации называется поочередным, когда общий угол коммутации γ равен сумме углов коммутации γ и γ, и является типовым, так как применяется в многозонных инверторах современных электровозов переменного тока. Окончание коммутации малого контура определяет начало угла запаса δ для второго противофазного вентиля 12, длительность которого измеряется от момента окончания угла коммутации γ до точки π. В итоге длительность угла запаса δ инвертора определяется длительностью углов запаса δ двух вентилей: первого 15 и второго 12 противофазных вентилей.
Аналогично происходят процессы в другом полупериоде, обозначенном на фиг.3 стрелкой (→), с участием открывающихся 10, 15 вентилей и запирающихся 16 и 11 вентилей соответственно.
Достоинством такого многозонного зависимого инвертора является повышение коэффициента мощности инвертора за счет создания четырех зон регулирования, позволяющих углу опережения β оставаться при регулировании напряжения на 2, 3 и 4-й зонах без изменения.
Недостаток многозонного зависимого инвертора заключается в том, что даже при несколько увеличенном коэффициенте мощности на 2, 3 и 4-й зонах во время регулирования напряжения инвертора в широком диапазоне за счет разбиения напряжения вторичной обмотки трансформатора на несколько частей он остается недостаточным по величине в номинальном режиме работы инвертора на 2, 3 и 4-й зонах за счет больших углов коммутации γ и запаса δ и является низким на 1-й зоне.
/
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке многозонного зависимого инвертора однофазного переменного тока с высоким коэффициентом мощности в номинальном режиме на 2, 3, 4-й зонах регулирования за счет уменьшения угла запаса δ, обусловленного уменьшением угла коммутации γ большого контура коммутации, при сохранении регулирования напряжения на этих зонах в широком диапазоне, а также на первой зоне за счет уменьшения угла запаса δ, обусловленного уменьшением угла коммутации γ.
Для решения поставленной задачи зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную к источнику питающего напряжения, вторичную обмотку, выполненную в виде трех последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них, и четырех цепочек, каждая из которых включает пару последовательно соединенных управляемых вентилей, параллельно подключенных между собой катодной и анодной шинами инвертора, при этом крайние точки цепочек присоединены этими шинами к последовательно соединенным сглаживающему реактору, генератору и балластному резистору, а средние точки подключены к соответствующим выводам секций вторичной обмотки трансформатора, инвертор дополнительно содержит неуправляемый вентиль - диод, присоединенный катодом к анодной, а анодом к катодной шинам инвертора.
Заявляемое решение отличается от прототипа введением нового элемента и новыми связями между элементами, а именно тем, что инвертор дополнительно содержит неуправляемый вентиль - диод, присоединенный катодом к анодной, а анодом к катодной шинам инвертора. Наличие отличительного существенного признака в совокупности существенных признаков, характеризующих устройство, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
/
Введение в инвертор неуправляемого вентиля - диода, присоединенного катодом к анодной, а анодом к катодной шинам инвертора, приводит к повышению коэффициента мощности в номинальном режиме на 2, 3, 4-й зонах регулирования за счет уменьшения угла запаса δ, обусловленного уменьшением угла коммутации γ большого контура коммутации, при сохранении регулирования напряжения на этих зонах в широком диапазоне, а также на первой зоне за счет уменьшения угла запаса δ, обусловленного уменьшением угла коммутации γ.
/
Это обусловлено тем, что открытие неуправляемого вентиля - диода в момент начала угла опережения β вызывает в каждом полупериоде на интервале угла коммутации γ в первой зоне и угла коммутации γ большого контура коммутации на 2, 3, 4-й зонах образование дополнительного короткозамкнутого контура, который повышает скорость нарастания тока в первом открывающемся однофазном вентиле, входящем в состав этого контура.
/
Это обстоятельство убыстряет в каждом полупериоде полное открытие первого однофазного вентиля и полное закрытие первого противофазного вентиля, входящих в состав контура коммутации. В результате длительность коммутации γ в первой зоне и длительность коммутации γ большого контура коммутации на 2, 3, 4-й зонах уменьшаются.
Ускоренное полное закрытие в каждом полупериоде на первой зоне первого противофазного вентиля приводит к возникновению угла запаса δ инвертора, величина которого определяется величиной угла запаса δ для данного противофазного вентиля и измеряется от момента окончания угла коммутации γ до точки π, 2π и т.д.
/
Ускоренное полное закрытие в каждом полупериоде на 2, 3, 4-й зонах первого противофазного вентиля и замедленное закрытие второго противофазного вентиля приводит к возникновению такого фактического угла запаса δ инвертора, величина которого определяется только величиной угла запаса δ для одного первого противофазного вентиля и измеряется от момента окончания угла коммутации γдо точки π, 2π и т.д.
/
/
Таким образом, введение в инвертор неуправляемого вентиля - диода приводит к одновременной работе отпирающегося однофазного и закрывающегося противофазного вентилей на интервалах угла коммутации γ в первой зоне и угла коммутации γ на 2, 3, 4-й зонах в двух контурах: в контуре коммутации и коротко-замкнутом контуре, приводящей к ускорению процесса открытия и закрытия вентилей и, как следствие, к уменьшению угла коммутации γ на первой зоне и угла коммутации γ большого контура коммутации на 2, 3, 4-й зонах и соответственно угла запаса δ и повышению коэффициента мощности, что явным образом не следует из уровня техники. Наличие нового результата, не известного в уровне техники, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлена упрощенная силовая схема зависимого многозонного инвертора однофазного переменного тока (прототипа).
На фиг.2 и 3 представлены процессы работы прототипа на первой и 2, 3 и 4-й зонах регулирования соответственно.
На фиг.4 представлена упрощенная силовая схема заявляемого зависимого многозонного инвертора однофазного переменного тока.
На фиг.5 и 6 представлены процессы работы заявляемого инвертора на первой и 2, 3 и 4-й зонах регулирования соответственно.
Зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока содержит трансформатор и четыре цепочки управляемых вентилей (фиг.4).
Трансформатор имеет первичную 1 обмотку и вторичную обмотку, выполненную в виде трех последовательно соединенных секций 2, 3, 4 с выводами 5, 6, 7, 8 от каждой из них. Первые две малые секции 2 и 3 имеют равное количество витков, а третья большая секция 4 имеет в два раза большее количество витков по сравнению с ними, т.е. равна сумме первых двух секций 2 и 3.
Каждая цепочка состоит из пары 9-10, 11-12, 13-14, 15-16 последовательно соединенных управляемых вентилей. Первичная обмотка 1 трансформатора подключена к источнику питания 17 сети однофазного переменного тока, а выводы 5, 6, 7, 8 трех секций вторичной обмотки соединены с соответствующими средними точками цепочек 9-10, 11-12, 13-14, 15-16. Крайние точки этих цепочек образуют выводы постоянного тока - катодную 18 и анодную 19 шины многозонного инвертора. К этим шинам подключены последовательно соединенные сглаживающий реактор 20, генератор постоянного тока 21 и балластный резистор 22. Положительный полюс генератора 21 через балластный резистор 22 соединен с анодной 19, а отрицательный полюс через сглаживающий реактор 20 соединен с катодной 18 шинами инвертора. Между шинами 18 и 19 подключен неуправляемый вентиль - диод 23, который присоединен катодом к анодной 19, а анодом к катодной 18 шинам инвертора.
Вторая 11-12 и третья 13-14 цепочки, подключенные к выводам 6 и 7 секции 3, образуют первую зону. Первая цепочка 9-10, подключенная к выводу 5 первой малой секции 2, и третья цепочка 13-14, подключенная к выводу 7 второй малой секции 3, образуют вторую зону. При переходе со 2-й на 3-ю зону происходит синхронный перевод нагрузки генератора с двух малых секций 2 и 3 на третью большую секцию 4. В результате третья зона образуется благодаря подключению второй цепочки 11-12 к промежуточному выводу 6 секции 2 и четвертой цепочки 15-16 к выводу 8 секции 4. Четвертая зона образована подключением первой цепочки 9-10 к крайнему выводу 5 секции 2 и четвертой цепочки 15-16 к выводу 8 секции 4.
Таким образом, три секции с помощью четырех цепочек образуют четыре зоны, причем каждая секция используется дважды - первая малая секция 2 на второй и четвертой зоне, вторая малая секция 3 - на первой и третьей зоне и третья большая секция 4 - на третьей и четвертой зонах. В результате каждая зона, начиная со второй, образована присоединением друг к другу цепочек двух секций.
Зависимый инвертор работает следующим образом.
На первой зоне от источника 17 питания сети напряжение поступает на первичную обмотку 1 трансформатора, секция 2 его вторичной обмотки подает напряжение на средние точки цепочек 11-12, 13-14.
В момент отпирания с углом опережения β двух однофазных вентилей 11, 14 (в полупериод по стрелке ←) или вентилей 12, 13 (в полупериод по стрелке →) к диоду 23 также прикладывается прямое напряжение секции 2 вторичной обмотки трансформатора. В результате диод 23 шунтирует последовательно соединенные сглаживающий реактор 20, генератор 21 и балластный резистор 22. Через диод 23, вентили 11, 14 в одном полупериоде и диод 23, вентили 12, 13 в другом полупериоде секция 2 замыкается накоротко, минуя цепь генератора.
При этом ток по диоду 23, вентилям 11, 14 в одном полупериоде и вентилям 12, 13 в другом полупериоде резко возрастает, что приводит к уменьшению длительности коммутации этих вентилей, т.е. к уменьшению угла коммутации γ.
Уменьшение угла коммутации γ позволяет уменьшить величину угла запаса δ, что приводит в дальнейшей работе инвертора к автоматическому уменьшению угла опережения β.
Кроме того, при закорачивании диодом 23 анодной 18 и катодной 19 шин устанавливается малое прямое падение напряжения диода 23. Уменьшение выпрямленного напряжения инвертора на протяжении угла опережения β увеличивает среднее значение выпрямленного напряжения инвертора за каждый полупериод на первой зоне.
После смены полярности напряжения сети в точке π, 2π и т.д. диод 23 запирается, выпрямленное напряжение инвертора через анодную 18 и катодную 19 шины прикладывается к цепи последовательно соединенных сглаживающего реактора 20, генератора 21 и балластного резистора 22. С этого момента времени через трансформатор и вентили 11, 14 в одном полупериоде и 12, 13 в другом полупериоде генератор начинает инвертировать свой ток в сеть.
На второй, третьей и четвертой зонах (фиг. 4 и 6) от источника 17 напряжение поступает на первичную обмотку 1 трансформатора, а затем на секции его вторичной обмотки, т.е. на секции 2, 3 второй зоны, на секции 3, 4 третьей зоны и на секции 2, 3, 4 четвертой зоны.
Принцип работы на второй, третьей и четвертой зонах аналогичен и заключается в следующем.
p
На этих зонах в инверторе происходит зонно-фазовое регулирование напряжения. В этом случае в каждом полупериоде напряжения сети два соответствующих однофазных вентиля данной зоны поочередно отпираются с углом опережения β. Затем после смены полярности напряжения сети в точках π, 2π и т.д. соответствующий однофазный вентиль предыдущей зоны отпирается с углом регулирования α для регулирования напряжения внутри данной зоны. В результате естественная коммутация вентилей инвертора в цепи переменного тока осуществляется дважды. Первый раз, начиная с угла опережения β, осуществляется основная поочередная коммутации (угол коммутации γ), и второй раз после смены полярности напряжения при его регулировании углом α внутри зоны - дополнительная фазовая коммутация (угол регулируемой коммутации γ). При этом основная поочередная коммутация в многозонном инверторе на второй и последующих зонах осуществляется последовательно в два этапа (по очереди): сначала в большом, а затем в малом контурах.
/
Например, на четвертой зоне в конце первого полупериода, обозначенного на фиг.6 стрелкой (←), первый однофазный вентиль 9 отпирается с углом опережения β. Положительный потенциал напряжения секции 2 вторичной обмотки трансформатора, приложенный к аноду вентиля 9, поступает на катод вентиля 15, что приводит к началу процесса закрытия вентиля 15. Открывающийся вентиль 9 и закрывающийся вентиль 15 закорачивают последовательно соединенные секции 2, 3, 4 вторичной обмотки трансформатора и образуют таким образом большой контур коммутации с длительностью, измеряемой углом коммутации γ (см. диаграммы токов вентилей 9 и 15 на фиг.6). Одновременно с началом процесса закрытия вентиля 15 положительный потенциал прикладывается, во-первых, на анод диода 23, начиная процесс открытия диода 23, приводящий к шунтированию последовательно соединенных сглаживающего реактора 20, генератора 21 и балластного резистора 22, и, во-вторых, на анод вентиля 12, который продолжает проводить ток предыдущего цикла работы инвертора.
Таким образом, диод 23, вентили 9, 12 и секция 2 вторичной обмотки трансформатора образуют первый короткозамкнутый контур.
/
На интервале угла коммутации γ вентиль 9 одновременно участвует в работе двух контуров: в большом контуре коммутации и первом короткозамкнутом контуре.
/
/
/
Сопротивление нагрузки короткозамкнутого контура, образованного секцией 2 вторичной обмотки трансформатора, вентилями 9, 12 и диодом 23, обусловлено прямым сопротивлением диода 23, которое значительно меньше сопротивления последовательно соединенных сглаживающего реактора 20, генератора 21 и балластного резистора 22. Увеличенный ток в короткозамкнутом контуре повышает скорость нарастания тока вентиля 9 и тем самым убыстряет его полное открытие и закрытие вентиля 15. В результате длительность коммутации большого контура уменьшается, что характеризуется уменьшением угла коммутации γ. В то же время полное закрытие вентиля 15 приводит к возникновению фактического угла запаса инвертора, определяемого углом запаса для вентиля 15 и измеряемого от момента окончания угла коммутации большого контура γ до точки π. Уменьшение угла коммутации γ позволяет уменьшить угол запаса δ, что приводит в дальнейшей работе инвертора к автоматическому уменьшению угла опережения β.
/
//
Полное открытие вентиля 9 и полное закрытие вентиля 15 приводят к окончанию коммутации большого контура (γ) и началу коммутации в малом контуре (γ).
/
В малом контуре второй однофазный вентиль 16 начинает отпираться с задержкой угла опережения β на величину угла коммутации большого контура γ. В результате положительный потенциал напряжения генератора 21, приложенный к аноду вентиля 16, суммируясь с положительным потенциалом напряжения секций 3 и 4 вторичной обмотки трансформатора, поступает на катод вентиля 12, что приводит к началу процесса закрытия вентиля 12 и открытию вентиля 16.
//
Закрывающийся вентиль 12 и открывающийся вентиль 16 закорачивают последовательно соединенные секции 3 и 4 вторичной обмотки трансформатора и образуют малый контур коммутации с длительностью, измеряемой углом коммутации γ (см. диаграммы токов вентилей 16 и 12 на фиг.6).
Одновременно с началом процесса открытия вентиля 16 положительный потенциал напряжения последовательно соединенных секций 2, 3, 4 вторичной обмотки трансформатора через полностью открытый вентиль 9 по прежнему прикладывается на анод диода 23, продолжая процесс открытия диода 23, приводящий к шунтированию последовательно соединенных сглаживающего реактора 20, генератора 21 и балластного резистора 22.
Таким образом, диод 23, вентили 9, 16 и секции 2, 3, 4 вторичной обмотки трансформатора образуют второй короткозамкнутый контур.
//
В период коммутации малого контура (γ) вентиль 16 одновременно участвует в работе двух контуров: в малом контуре коммутации и втором короткозамкнутом контуре.
/
//
Напряжение второго короткозамкнутого контура меньше напряжения первого короткозамкнутого контура в силу резкого спадания на интервале угла коммутации γ заднего фронта синусоидальной кривой напряжения вторичной обмотки трансформатора. Поэтому открытие вентиля 16 и соответственно закрытие вентиля 12 происходит медленнее, увеличивая угол коммутации малого контура γ вплоть до окончания полупериода напряжения в точке π и тем самым уменьшая до нуля угол запаса δ для вентиля 12. В результате общий угол запаса δ инвертора, определяемый углом запаса δ вентиля 15 и углом запаса δ вентиля 12, снижается до величины угла запаса δ вентиля 15. При переходе напряжения секций 2, 3, 4 вторичной обмотки трансформатора в точке π на положительную полярность для вентилей 12 и 15 угол запаса инвертора определяется только углом запаса вентиля 15.
Открытое состояние диода 23 на протяжении угла опережения β закорачивает анодную 18 и катодную 19 шины, в результате чего выпрямленное напряжение инвертора становится равным малому прямому падению напряжения диода 23. Уменьшение выпрямленного напряжения инвертора на протяжении угла опережения β до величины прямого падения напряжения диода 23 увеличивает среднее значение выпрямленного напряжения инвертора за каждый полупериод на 2, 3, 4 зонах регулирования.
После смены полярности напряжения сети в точке π с положительной на отрицательную для вентилей 9 и 16 полярность выпрямленного напряжения инвертора меняется на обратную, т.е. положительный потенциал устанавливается на анодной шине 18 и отрицательный потенциал на катодной шине 19. Выпрямленное напряжение измененной полярности запирает диод 23 и через анодную 18 и катодную 19 шины прикладывается к цепи последовательно соединенных сглаживающего реактора 20, генератора 21 и балластного резистора 22. С этого момента времени через открытые вентили 9 и 16 генератор начинает инвертировать свой ток в сеть, преодолевая встречно направленное напряжение секций 2, 3, 4 вторичной обмотки трансформатора.
p
Далее однофазный вентиль 11, который осуществлял на третьей зоне в таком же полупериоде напряжения сети инвертирование тока, отпирается с углом регулирования α для регулирования напряжения внутри четвертой зоны. Положительный потенциал разности напряжений генератора 21 и секций 3, 4 вторичной обмотки трансформатора через открывающийся вентиль 11 прикладывается на катод вентиля 9, что приводит к началу процесса закрытия вентиля 9. Открывающийся вентиль 11 и закрывающийся вентиль 9 закорачивают секцию 2 вторичной обмотки трансформатора и образуют таким образом контур фазовой коммутации с длительностью, измеряемой углом регулируемой коммутации γ (см. диаграммы токов вентилей 9 и 11 на фиг.6).
Аналогично происходят процессы во втором полупериоде, обозначенном на фиг.6 стрелкой (→), с участием открываемых поочередно вентилей 10, 15 и закрываемых вентилей 16 и 9, диода 23, а после смены полярности напряжения сети в точке 2π с участием открываемого вентиля 12 и закрываемого вентиля 10.
В дальнейшем описанные процессы обоих циклов работы инвертора продолжаются, меняя друг друга по полупериодам.
Процессы работы инвертора получены путем математического моделирования силовой схемы электровоза ВЛ80Р и апробированы путем проведения опытных испытаний макетного образца инвертора электровоза, результаты которых приведены на диаграммах процессов работы инвертора на первой и четвертой зонах регулирования напряжения (фиг.5 и 6).
Испытания зависимого многозонного инвертора были проведены на электровозе ВЛ80Р №1513 во время опытных поездок на участке Смоляниново-Находка Дальневосточной железной дороги. Для испытаний было использовано следующее силовое электрическое оборудование электровоза: инвертор в составе выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП-4000М, управляемые вентили-тиристоры Т353-800-28, неуправляемый вентиль-диод ДЛ153-1600-32, сглаживающий реактор РС-60, балластный резистор ББС-131, генератор НБ-418К6.
Опытные испытания показали, что по сравнению с инвертором-прототипом угол запаса δ на первой зоне уменьшился с 25 эл. град. до 20 эл. град., а на второй, третьей, четвертой зонах - с 25 эл. град. до 12 эл. град., что повышает коэффициент мощности в номинальном режиме на всех зонах регулирования с 0,7 до 0,84. Кроме того, увеличивается среднее значение выпрямленного напряжения инвертора за каждый полупериод на 1, 2, 3, 4 зонах регулирования и тем самым в целом поток электрической энергии генератора в сеть повышается на 15%.