УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ
DEVICE FOR TRANSFORMATION OF LOAD VOLTAGE SHAPE

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для уменьшения пульсаций напряжения потребителей, имеющих в своем составе выпрямительно-инверторные преобразователи, в частности, на электроподвижном составе переменного тока.
В настоящее время на сети железных дорог переменного тока наибольшее распространение получили электровозы с зонно-фазным регулированием напряжения на тяговых двигателях. Работа этих электровозов сопровождается значительными искажениями формы сетевого напряжения, которые связаны с процессами коммутации в преобразователях. Начало коммутации вызывает резкое уменьшение напряжения (провал напряжения) на токоприемнике электровоза. Однако мгновенного уменьшения напряжения не происходит, так как вследствие наличия в контактной сети распределенных индуктивности и емкости возникают свободные колебания напряжения. Аналогичные процессы протекают в момент окончания коммутации, в результате чего на токоприемнике электровоза формируются свободные послекоммутационные колебания напряжения. Таким образом, искажения формы кривой питающего напряжения обусловлены резким уменьшением напряжения во время коммутации и свободными колебаниями напряжения, возникающими в моменты начала и окончания коммутации. Амплитуды этих колебаний определяются скачком (провалом) напряжения в моменты начала и окончания коммутации. В процессе коммутации на токоприемнике электровоза возникают не только свободные колебания напряжения, но и токов.
Одним из путей уменьшения провала напряжения и свободных послекоммутационных колебаний напряжения и, соответственно, улучшения формы сетевого напряжения является разнофазное управление двумя преобразователями электровоза. Он заключается в разнесении во времени начал и окончаний коммутации различных групп преобразователей, что позволяет уменьшить провал напряжения и, соответственно, скачек напряжения в начале и конце интервала коммутации. За счет этого уменьшается амплитуда послекоммутационных колебаний напряжения и, соответственно, улучшается форма напряжения на токоприемнике электровоза. Улучшение формы напряжения приводит к снижению коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения (ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Межгосударственный совет по стандартам и сертификации).
Известно устройство для преобразования формы напряжения потребителя, установленное на электровозе ВЛ85-001 [Ю.М.Кулинич и др. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями. Вестник ВНИИЖТ, - 1986. №4, с.23-26], в котором использован принцип разнофазного регулирования напряжения. Известное устройство состоит из двух каналов регулирования, источника управляемых импульсов и блока задержки. Каждый из каналов регулирования содержит преобразовательный трансформатор, управляемый выпрямитель, усилитель и распределитель импульсов.
Первичные обмотки преобразовательных трансформаторов связаны с сетью, а их вторичные обмотки подключены к последовательно соединенным управляемому выпрямителю, усилителю и распределителю импульсов. Выход источника управляющих импульсов соединен с входом распределителя импульсов первого канала и через блок задержки - с входом распределителя импульсов второго канала.
Устройство работает следующим образом. Импульсы управления от источника управляющих импульсов через распределитель импульсов и усилитель поступают на управляемый выпрямитель первого канала непосредственно, а на управляемый выпрямитель второго канала - через распределитель импульсов, усилитель и блок задержки. Благодаря этому сигнал источника управляющих импульсов поступает спустя некоторое время на вход второго канала регулирования, обеспечивая задержку во времени процесса коммутации во втором канале регулирования. Поскольку процессы коммутации в первом и втором каналах регулирования разнесены во времени, уменьшается величина скачка напряжения в начале и в конце интервала коммутации и, соответственно, амплитуда свободных высокочастотных колебаний напряжения. Блок задержки задерживает открытие тиристоров управляемого выпрямителя второго блока на величину полупериода свободных высокочастотных колебаний напряжения. Экспериментально установлено, что при штатных условиях электроснабжения превалирующая частота колебаний напряжения составляет 4500 Гц после начала коммутации и 1125 Гц после ее окончания. Такие частоты требуют задержки подачи управляющих импульсов соответственно на 2 и 8 эл.град. В этом случае начиная со второго полупериода при сложении послекоммутационных высокочастотных пульсаций напряжений каналов на токоприемнике электровоза достигается наибольшая компенсация высокочастотных колебаний напряжения и приближение формы напряжения на токоприемнике к синусоидальной форме и, соответственно, коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.
Таким образом, поочередная коммутация, осуществляемая за счет задержки открытия тиристоров управляемого выпрямителя второго канала регулирования, позволяет уменьшить скачек напряжения и амплитуду свободных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза. При этом коэффициент формы кривой питающего напряжения приближается к коэффициенту формы синусоиды, что уменьшает величину коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.
Однако устройство разнофазного управления не в полной мере обеспечивает снижение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, что является недостатком известного устройства. Это обусловлено тем, что уменьшение свободных коммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза происходит лишь частично из-за того, что свободные колебания напряжения, возникающие во время коммутации в управляемых выпрямителях, имеют затухающий характер. При сложении пульсаций каждого канала регулирования на токоприемнике электровоза первая полуволна высокочастотных пульсаций напряжения первого преобразователя оказывается нескомпенсированной пульсацией второго преобразователя. В дальнейшем происходит компенсация полуволн высокочастотных колебаний напряжения разных преобразователей, имеющих различную амплитуду. В этой связи в кривой напряжения на токоприемнике электровоза остаются нескомпенсированные высокочастотные пульсации напряжения, ухудшающие его форму. Кроме того, компенсация высокочастотных колебаний напряжения во время коммутации не представляется возможным, поскольку требуемая для этого задержка подачи импульсов в 2 эл.град сравнима с погрешностью формирования управляющих импульсов в 1-2 эл.град (Ю.М.Кулинич. и др. Синхронизация системы управления электровоза переменного тока. Электровозостроение. Новочеркасск, 1998 г. Т.39. с.175-178). Из-за этого коммутация происходит практически одновременно в обоих каналах регулирования. В этой связи улучшение формы напряжения возможно только на внекоммутационных интервалах времени за счет уменьшения высокочастотных колебаний напряжения. Таким образом, неполная компенсация высокочастотных пульсаций напряжения и коммутационный провал напряжения не позволяют в полной мере улучшить форму напряжения на токоприемнике электровоза. Это снижает показатель коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство для преобразования формы напряжения потребителя, основанное на компенсации высокочастотных коммутационных колебаний тока [Ю.М.Кулинич, Ю.С.Кабалык. Улучшение формы напряжения на токоприемнике электровоза переменного тока. Труды Всероссийской научно-практической конференции ученых транспорта, ВУЗов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки. Том 1 г.Чита, - 2006. с.242-246].
Устройство для преобразования формы напряжения потребителя содержит блок компенсации, силовой блок, систему управления и датчик напряжения, имеющий первичную и вторичную обмотки.
Блок компенсации состоит из последовательно включенных устройства вычисления переменной составляющей напряжения, элемента сравнения, дельта-модулятора и четырехквадрантного преобразователя (источника тока компенсации).
Вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения является входом блока компенсации, а выход четырехквадрантного преобразователя - его выходом. Выход устройства вычисления переменной составляющей напряжения подключен к входу элемента сравнения, второй вход которого соединен с входом устройства вычисления переменной составляющей напряжения.
Силовой блок включает в себя преобразовательный трансформатор, тиристорный мост и двигатель. Первичная обмотка преобразовательного трансформатора является входом силового блока, а его вторичная обмотка подключена к входу тиристорного моста. Выход двигателя заземлен.
Вход блока компенсации соединен со вторичной обмоткой датчика напряжения, его первичная обмотка включена между сетью и «землей». Выход блока компенсации подключен к вторичной обмотке преобразовательного трансформатора. Система управления связана со вторым входом тиристорного моста.
Устройство работает следующим образом. Переменное напряжение сети поступает на первичную обмотку преобразовательного трансформатора. Тиристорный мост преобразует переменное напряжение вторичной обмотки преобразовательного трансформатора в регулируемое по величине постоянное напряжение, которое подается на двигатели. При этом импульсы системы управления регулируют уровень напряжения, подаваемого на двигатели.
Сигнал со вторичной обмотки датчика напряжения, пропорциональный напряжению сети (напряжению на токоприемнике электровоза), поступает на вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения. Устройство вычисления переменной составляющей напряжения выделяет из сигнала напряжения сети первую гармоническую составляющую, которая совпадает с моментами естественного перехода напряжения через ноль. Элемент сравнения вычисляет разность текущего значения напряжения на токоприемнике и его первой гармоники, в результате этого на выходе элемента сравнения формируется сигнал, пропорциональный высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике электровоза. Этот сигнал, преобразованный дельта-модулятором, поступает на вход четырехквадрантного преобразователя, который генерирует во вторичную обмотку преобразовательного трансформатора высокочастотную гармонику тока, пропорциональную высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике. Сгенерированная на внекоммутационных интервалах времени высокочастотная гармоника тока передается в первичную обмотку преобразовательного трансформатора, где она противофазно складывается со свободными высокочастотными колебаниями тока, возникающими во время коммутации. Таким образом, сгенерированные на внекоммутационных интервалах гармоники тока компенсируют свободные колебания тока и, соответственно, улучшают форму напряжения на токоприемнике электровоза. При этом исключается развитие процесса свободных колебаний тока и напряжения в первичной обмотке преобразовательного трансформатора (токоприемнике электровоза).
Во время процесса коммутации, занимающего значительную часть рабочего времени, вторичная обмотка преобразовательного трансформатора оказывается зашунтированной открытыми тиристорами тиристорного моста [Ю.М.Кулинич. Устройство и работа выпрямительно-инверторного преобразователя. Локомотив, - 2001. №1, с.14-18]. Поскольку выход четырехквадрантного преобразователя блока компенсации также подключен к вторичной обмотке преобразовательного трансформатора, то во время коммутации его выход оказывается закороченным и напряжение на его выходе становится равным нулю. По этой причине на интервалах коммутации на выходе блока компенсации отсутствуют гармоники тока, генерируемые во вторичную обмотку преобразовательного трансформатора, соответственно, свободные колебания напряжения и тока в первичной обмотке преобразовательного трансформатора остаются некомпенсированными. Кроме того, увеличенный на интервалах коммутации ток короткого замыкания повышает падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора и, соответственно, увеличивает провал напряжения во время коммутации. Увеличившийся в связи с этим скачек напряжения после окончания коммутации повышает амплитуду послекоммутационных колебаний напряжения.
Достоинством известного устройства является улучшение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения за счет приближения на внекоммутационных интервалах формы напряжения к синусоидальной форме. Это достигается благодаря компенсации высокочастотных колебаний напряжения.
Недостатком известного устройства является ухудшение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения (составляет 6,8%) из-за увеличения провала напряжения на интервалах коммутации и повышения амплитуды послекоммутационных колебаний напряжения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для преобразования формы напряжения потребителя, улучшающего коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения за счет приближения формы напряжения к синусоидальной форме благодаря уменьшению провала напряжения на интервалах коммутации и снижения амплитуды высокочастотных колебаний напряжения на послекоммутационных интервалах времени.
Для решения поставленной задачи в устройстве для преобразования формы напряжения потребителя, содержащем силовой блок, представляющий собой последовательную цепь из преобразовательного трансформатора, тиристорного моста и двигателя, блока компенсации, представляющего собой последовательную цепь из устройства вычисления переменной составляющей напряжения, элемента сравнения, дельта-модулятора, источника тока компенсации, систему управления и датчик напряжения, имеющий первичную и вторичную обмотки, при этом общая точка входа устройства вычисления переменной составляющей напряжения и второго входа элемента сравнения является первым входом блока компенсации, а выход источника тока компенсации - его выходом, первичная обмотка преобразовательного трансформатора является первым входом силового блока, первый вход тиристорного моста - его вторым входом, второй вход тиристорного моста - его третьим входом, выход двигателя, являющегося вторым выходом силового блока, заземлен, первичная обмотка датчика напряжения включена между сетью и «землей», его вторичная обмотка связана с первым входом блока компенсации, выход системы управления соединен с третьим входом силового блока, выход блока компенсации соединен с вторым входом силового блока, в последовательную цепь силового блока между вторичной обмоткой преобразовательного трансформатора и тиристорным мостом включен датчик коммутации, выход которого является первым выходом силового блока, в последовательную цепь блока компенсации между дельта-модулятором и источником тока компенсации включено устройство коммутации, блок компенсации снабжен инвертором, вход которого является вторым входом блока компенсации, его выход соединен со вторым входом устройства коммутации, при этом выход силового блока соединен с вторым входом блока компенсации.
Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении (датчик коммутации, инвертор и устройство коммутации и новые взаимосвязи элементов в блоке компенсации) свидетельствуют о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Введение датчика коммутации, инвертора и устройства коммутации и новые взаимосвязи элементов в блоке компенсации обеспечивают максимальное улучшение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения. Это обусловлено тем, что на интервале коммутации тиристоров тиристорного моста исключается возникновение тока короткого замыкания на выходе автономного инвертора напряжения. Благодаря этому уменьшается провал сетевого напряжения, связанный с коммутацией, а также амплитуда послекоммутационных колебаний напряжения. В результате этого улучшается форма напряжения и, соответственно, уменьшается коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.
Кроме того, введение датчика коммутации, инвертора и устройства коммутации и новые взаимосвязи элементов в блоке компенсации приводят к увеличению скорости движения электровоза. Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На чертеже показана схема заявляемого устройства.
Устройство для преобразования формы напряжения потребителя содержит силовой блок 1, блок компенсации 2, систему управления 3 и датчик напряжения 4.
Силовой блок 1 состоит из последовательно соединенных преобразовательного трансформатора 5, датчика коммутации 6, тиристорного моста 7 и двигателя 8. Первичная обмотка преобразовательного трансформатора 5 является первым входом силового блока 1, первый вход тиристорного моста 7 - его вторым входом, второй вход тиристорного моста 7 - его третьим входом, выход датчика коммутации 6 является первым выходом силового блока. Выход двигателя 8 является вторым выходом силового блока 1 и заземлен.
Блок компенсации 2 содержит последовательно соединенные устройство вычисления переменной составляющей напряжения 9, элемент сравнения 10, дельта-модулятор 11, устройство коммутации 12, источник тока компенсации 14. Кроме того, блок компенсации 2 содержит инвертор 13, выход которого соединен с вторым входом устройства коммутации 12.
Общая точка входа устройства вычисления переменной составляющей напряжения 9 и второго входа элемента сравнения 10 является первым входом блока компенсации 2, а выход источника тока компенсации 14 - его выходом. Вход инвертора 13 является вторым входом блока компенсации 2. Первый выход силового блока 1 соединен со вторым входом блока компенсации 2.
Первичная обмотка датчика напряжения 4 включена между сетью и «землей», вторичная обмотка датчика напряжения 4 связана с первым входом блока компенсации 2. Выход системы управления 3 соединен с третьим входом силового блока 1.
Тиристорный мост 7 выполнен на базе силовых тиристоров типа ТЛ 830, система управления 3 реализована на базе логических элементов средней степени интеграции, автономный инвертор напряжения 14 собран из силовых полностью управляемых IGBT-транзисторов, основу устройства вычисления переменной составляющей напряжения 9 и дельта-модулятора 11 составляют операционные усилители серии К140УД7, устройство коммутации 12 выполнено на базе полевого транзистора.
Устройство для преобразования формы напряжения потребителя работает следующим образом. Переменное напряжение сети поступает на первичную обмотку преобразовательного трансформатора 5. Тиристорный мост 7 преобразует переменное напряжение вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 5 в регулируемое по величине постоянное напряжение, которое подается на двигатель 8. При этом импульсы системы управления 3 регулируют уровень напряжения, подаваемого на двигатель 8.
Сигнал со вторичной обмотки датчика напряжения 4, пропорциональный напряжению сети (напряжению на токоприемнике электровоза), поступает на вход устройства вычисления переменной составляющей напряжения 9. Устройство вычисления переменной составляющей напряжения 9 выделяет из сигнала напряжения сети первую гармоническую составляющую, которая совпадает с моментами естественного перехода напряжения через ноль. Элемент сравнения 10 вычисляет разность текущего значения напряжения на токоприемнике и его первой гармоники, в результате этого на выходе элемента сравнения 10 формируется сигнал, пропорциональный высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике электровоза. Этот сигнал, преобразованный дельта-модулятором 11 и скоммутируемый устройством коммутации 12, поступает на вход автономного инвертора напряжения 14, который генерирует во вторичную обмотку преобразовательного трансформатора 5 высокочастотную гармонику тока, пропорциональную высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике электровоза. Сгенерированная высокочастотная гармоника тока передается в первичную обмотку преобразовательного трансформатора 5, где она противофазно складывается со свободными высокочастотными колебаниями тока, возникающими во время коммутации. Сгенерированные гармоники тока приводят к компенсации свободных колебаний тока и, соответственно, напряжения на токоприемнике электровоза.
Датчик коммутации 6 по форме напряжения вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 5 формирует напряжение высокого уровня на интервале коммутации тиристоров тиристорного моста 7. Выходной сигнал датчика коммутации 6 через инвертор 13 поступает на второй вход устройства коммутации 12, которое коммутирует поступление сигнала с выхода дельта-модулятора 11 на вход автономного инвертора напряжения 14. Инвертор 13 согласует уровень выходного напряжения датчика коммутации 6 и управляющего сигнала устройства коммутации 12. На внекоммутационных интервалах времени сигнал датчика коммутации 6 через инвертор 13 включает устройство коммутации 12 и разрешает прохождение сигнала дельта-модулятора 11 на вход автономного инвертора напряжения 14. Во время коммутации сигнал датчика коммутации 6 блокирует через устройство коммутации 12 сигнал дельта-модулятора 11. В этом случае выходное напряжение автономного инвертора напряжения 14 становится равным нулю, благодаря чему выходной ток автономного инвертора напряжения 14 на интервале коммутации также становится равным нулю.
Благодаря тому, что блок компенсации высокочастотных колебаний напряжения во время коммутации отключен от контура коммутации, в нем на интервалах коммутации ток короткого замыкания не протекает. Провал напряжения во время коммутации остается на прежнем уровне и не снижает амплитуду высокочастотных колебаний напряжения, благодаря чему сохраняется синусоидальной форма напряжения на токоприемнике электровоза. За счет этого улучшается коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, который составляет 4,3%. Уменьшение провала напряжения и снижение амплитуды высокочастотных колебаний напряжения приводит к повышению напряжения на токоприемнике электровоза и к увеличению скорости его движения.
Использование устройства для преобразования формы напряжения потребителя позволяет улучшить коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на 2,5%, повысить напряжение на токоприемнике электровоза на 2,3% и увеличить скорость его движения на 1,9%.