МНОГОЗОННЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
MULTI-ZONE RECTIFIER OF SINGLE PHASE AC VOLTAGE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано на электроподвижном составе, получающем питание от контактной сети переменного тока.
Эксплуатация тиристорных многозонных выпрямителей электроподвижного состава сопровождается их низкой энергоэффективностью за счет низких значений коэффициентов полезного действия и мощности, обусловленных дополнительными затратами энергии в системе управления во время создания сигналов управления тиристорами, а также большим фазовым сдвигом между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора.
Известен многозонный выпрямитель однофазного переменного тока, принцип работы которого основан на подключении к нагрузке различных секций вторичной обмотки трансформатора в определенные моменты времени в каждом лолупериоде питающего напряжения [Плакс, А.В. Системы управления электрическим подвижным составом, учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 360 с].
Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока содержит трансформатор, тиристорный мост, нагрузку и систему управления. Трансформатор имеет первичную обмотку, которая подключена к источнику питания, и вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них.
Тиристорный мост выполнен из параллельных, по крайней мере, четырех цепочек. Каждая цепочка содержит пару тиристорных плеч. Каждое тиристорное плечо представляет собой тиристор, анод которого является анодным входом тиристорного плеча, катод - его катодным входом, а управляющий электрод - его управляющим входом.
В каждой цепочке анод первого тиристорного плеча, соединенный с катодом второго тиристорного плеча, образует вход этой цепочки. Катод первого тиристорного плеча образует положительный выход цепочки, а анод второго тиристорного плеча - ее отрицательный выход. Положительные и отрицательные выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора.
Управляющий вход каждого тиристорного плеча соединен с соответствующим управляющим каналом системы управления. Устройство работает следующим образом.
Трансформатор питается однофазным переменным напряжением от источника питания и создает на секциях вторичной обмотки пониженное напряжение.
В системе управления в соответствии с алгоритмом управления создаются сигналы управления, которые в каждом полупериоде питающего напряжения подаются на управляющие входы заданных тиристорных плеч, открывая их тиристоры. Открытый тиристор свидетельствует об открытии его тиристорного плеча. Открытие тиристорных плеч приводит к подключению к нагрузке тех секций вторичной обмотки трансформатора, к которым подключены цепочки упомянутых тиристорных плеч. При этом полное напряжение соответствующих секций вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке тиристорными плечами, открытыми в начале полупериода питающего напряжения (сетевая коммутация), а неполное напряжение других секций вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке тиристорными плечами, открытыми в другие моменты времени (фазная коммутация)
В результате на нагрузке создается выпрямленное напряжение, которое складывается из двух частей: полного напряжения одних секций вторичной обмотки трансформатора, создающегося при сетевой коммутации, (основная часть) и неполного напряжения других его секций, создающегося при фазной коммутации, (дополнительная часть).
Для открытия тиристорных плеч при фазной коммутации на них подаются сигналы управления с заданной задержкой относительно начала полупериода питающего напряжения. Чем больше такая задержка открытия, тем меньшая часть напряжения соответствующей секции вторичной обмотки трансформатора добавится к напряжению нагрузки. Регулирование задержки открытия приводит к изменению уровня дополнительной части выпрямленного напряжения нагрузки.
Во время создания сигналов управления в каждом полупериоде питающего напряжения в системе управления затрачивается дополнительная энергия, объем которой определяется количеством открываемых тиристоров. Это приводит к поступлению на нагрузку только частичной энергии от источника без упомянутой дополнительной энергии, что приводит к снижению коэффициента полезного действия многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.
При смене полярности питающего напряжения ток нагрузки продолжает протекать через трансформатор до тех пор, пока не откроются новые тиристорные плечи. Открытие других тиристорных плеч в новом полупериоде питающего напряжения приводит к закрытию тиристорных плеч, открытых в предыдущем полупериоде, в результате чего ток в трансформаторе изменяет направление согласно полярности напряжения. Благодаря задержке между сменой полярности питающего напряжения и изменением направления тока, имеется значительный фазовый сдвиг между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора. Это свидетельствует о значительном потреблении реактивной энергии многозонным выпрямителем однофазного переменного тока и, как следствие, снижении коэффициента мощности.
Достоинство известного многозонного выпрямителя однофазного переменного тока заключается в достаточной эффективности нагрузки за счет обеспечения плавного регулирования ее мощности.
Недостаток известного многозонного выпрямителя однофазного переменного тока заключается в его низкой энергоэффективности. Это обусловлено, во-первых, сниженным коэффициентом полезного действия вследствие дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч, во-вторых, сниженным коэффициентом мощности за счет наличия фазового сдвига между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является многозонный выпрямитель однофазного переменного тока, принцип работы которого основан на подключении к нагрузке различных секций вторичной обмотки трансформатора в определенные моменты времени в каждом полупериоде питающего напряжения [Способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока: пат. 2322749 Рос.Федерация: МПК H02М 5/42, B06L 9/12 / Власьевский С.В., Бабичук А.К., Мельниченко О.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения МПС России (ДВГУПС). - 2006140957/09; заявл. 20.11.2006; опубл. 20.04.2008, Бюл. №11].
Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока содержит трансформатор, тиристорный мост, нагрузку, систему управления и диодное плечо. Трансформатор имеет первичную обмотку, которая подключена к источнику питания, и вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них.
Тиристорный мост выполнен из параллельных, по крайней мере, четырех цепочек.
Каждая цепочка содержит пару тиристорных плеч. Каждое тиристорное плечо представляет собой тиристор, анод которого является анодным входом тиристорного плеча, катод - его катодным входом, а управляющий электрод - его управляющим входом.
В каждой цепочке анод первого тиристорного плеча, соединенный с катодом второго тиристорного плеча, образует вход этой цепочки.
Катод первого тиристорного плеча образует положительный выход цепочки, а анод второго тиристорного плеча - ее отрицательный выход.
Положительные и отрицательные выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора.
Анод диодного плеча подключен к отрицательному выводу нагрузки, а его катод - к положительному выводу нагрузки.
Управляющий вход каждого тиристорного плеча соединен с соответствующим управляющим каналом системы управления.
Устройство работает следующим образом.
Трансформатор питается однофазным переменным напряжением от источника питания и создает на секциях вторичной обмотки пониженное напряжение.
В системе управления в соответствии с алгоритмом управления создаются сигналы управления, которые в каждом полупериоде питающего напряжения подаются на управляющие входы заданных тиристорных плеч, открывая их тиристоры. Открытый тиристор свидетельствует об открытии его тиристорного плеча. Открытие тиристорных плеч приводит к подключению к нагрузке тех секций вторичной обмотки трансформатора, к которым подключены цепочки упомянутых тиристорных плеч. При этом полное напряжение соответствующих секций вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке тиристорными плечами, открытыми в начале полупериода питающего напряжения (сетевая коммутация), а неполное напряжение других секций вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке тиристорными плечами, открытыми в другие моменты времени (фазная коммутация).
В результате на нагрузке создается выпрямленное напряжение, которое складывается из двух частей: полного напряжения одних секций вторичной обмотки трансформатора, создающегося при сетевой коммутации, (основная часть) и неполного напряжения других его секций, создающегося при фазной коммутации, (дополнительная часть).
Для открытия тиристорных плеч при фазной коммутации на них подаются сигналы управления с заданной задержкой относительно начала полупериода питающего напряжения. Чем больше такая задержка открытия, тем меньшая часть напряжения соответствующей секции вторичной обмотки трансформатора добавится к напряжению нагрузки. Регулирование задержки открытия приводит к изменению уровня дополнительной части выпрямленного напряжения нагрузки.
Во время создания сигналов управления в каждом полупериоде питающего напряжения системой управления затрачивается дополнительная энергия, объем которой определяется количеством открываемых тиристоров. Это приводит к поступлению на нагрузку только частичной энергии от источника без упомянутой дополнительной энергии, что приводит к снижению коэффициента полезного действия многозонного выпрямителя переменного однофазного тока.
При смене полярности питающего напряжения полярность на выходе тиристорного моста изменяется, благодаря чему открывается диодное плечо. При открытии диодного плеча ток нагрузки начинает протекать через него, минуя тиристорный мост и трансформатор. В результате ток в трансформаторе начинает изменять свое направление сразу после смены полярности питающего напряжения, что приводит к снижению фазового сдвига между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора и, как следствие, к снижению потребления реактивной энергии многозонным выпрямителем переменного однофазного тока и к повышению коэффициента мощности.
Достоинство известного многозонного выпрямителя однофазного переменного тока заключается в повышении его энергоэффективности за счет повышения коэффициента мощности вследствие снижения фазового сдвига между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора.
Однако энергоэффективность известного многозонного выпрямителя однофазного переменного тока остается недостаточной. Это обусловлено сниженным коэффициентом полезного действия вследствие дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке многозонного выпрямителя однофазного переменного тока, повышающего энергоэффективность за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч при сохранении высокого коэффициента мощности.
Для решения поставленной задачи в многозонном выпрямителе однофазного переменного тока, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику питания, вторичная обмотка выполнена в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них, тиристорный мост, выполненный из параллельных, по крайней мере, четырех цепочек, каждая из которых содержит пару тиристорных плеч на основе тиристора, нагрузку и систему управления, при этом анод тиристора каждого тиристорного плеча является анодным входом тиристорного плеча, катод - его катодным входом, а управляющий электрод - первым его управляющим входом, выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора, управляющий вход каждого тиристорного плеча соединен с соответствующим управляющим каналом системы управления, в каждое тиристорное плечо дополнительно введены ключ, два резистора и два диода, при этом цепь из последовательно соединенных ключа, первого резистора, второго резистора и первого диода подключена параллельно тиристору, катод первого диода соединен с катодом тиристора, а крайний вывод ключа соединен с анодом тиристора, точка соединения первого и второго резисторов соединена с анодом второго диода, катод которого соединен с управляющим электродом тиристора, а управляющий вход ключа является вторым входом тиристорного плеча.
Совокупность существенных признаков заявляемого решения отличается от совокупности существенных признаков прототипа введением в каждое тиристорное плечо ключа, двух резисторов и двух диодов, при этом цепь из последовательно соединенных ключа, первого резистора, второго резистора и первого диода подключена параллельно тиристору, катод первого диода соединен с катодом тиристора, а крайний вывод ключа соединен с анодом тиристора, точка соединения первого и второго резисторов соединена с анодом второго диода, катод которого соединен с управляющим электродом тиристора, а управляющий вход ключа является вторым входом тиристорного плеча.
Наличие отличительных существенных признаков в совокупности существенных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Введение в каждое тиристорное плечо ключа, двух резисторов и двух диодов с образованием новых взаимосвязей между ними приводит к повышению энергоэффективности за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч при сохранении высокого коэффициента мощности.
Это обусловлено тем, что при замкнутом ключе положительное напряжение на тиристоре распределяется между резисторами этого тиристорного плеча. Полученное напряжение на втором резисторе создает ток управления тиристора, что приводит к его открытию. Таким образом, при появлении положительного напряжения на тиристорном плече, у которого замкнут ключ, оно самопроизвольно откроется без подачи сигналов управления от системы управления.
налов
В результате открытие тиристорных плеч без подачи на них сиг управления позволяет снизить объем дополнительной энергии, потребляемой системой управления во время создания сигналов управления, и, как следствие, повысить коэффициент полезного действия многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.
Причинно-следственная связь «Введение в каждое тиристорное плечо ключа, двух резисторов и двух диодов с образованием новых взаимосвязей между ними приводит к повышении энергоэффективности за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристоров тиристорных плеч, а также сохранения высокого коэффициента мощности» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока представлен на фигурах, подтверждающих его работоспособность и «промышленную применимость».
На фиг. 1 представлена схема многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.
На фиг. 2 представлена схема тиристорного плеча многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.
Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока основан на подключении к нагрузке различных секций вторичной обмотки трансформатора в определенные моменты времени в каждом полупериоде питающего напряжения.
Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока содержит трансформатор 1, тиристорный мост 2, нагрузку 3 и систему управления 4.
Трансформатор 1 имеет первичную обмотку, которая подключена к источнику питания (на фиг. не показан), и вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций 5, 6, 7 с выводами от каждой из них.
Тиристорный мост 2 выполнен из параллельных, по крайней мере, четырех цепочек.
Каждая цепочка содержит пару 8-9, 10-11, 12-13, 14-15 тиристорных плеч.
Каждое тиристорное плечо 8-15 содержит тиристор 16, ключ 17, два резистора 18, 19 и два диода 20, 21. Анод тиристора 16 является анодным входом тиристорного плеча, катод тиристора - его катодным входом, а управляющий электрод тиристора - его первым управляющим входом.
Параллельно тиристору 16 подключена цепь из последовательно соединенных ключа 17, первого резистора 18, второго резистора 19 и первого диода 21. При этом катод первого диода 21 соединен с катодом тиристора 16, а крайний вывод ключа 17 соединен с анодом тиристора 16.
Точка соединения первого 18 и второго 19 резисторов соединена с анодом второго диода 20, катод которого соединен с управляющим электродом тиристора 16.
Управляющий вход ключа 17 является вторым управляющим входом тиристорного плеча.
В каждой цепочке анод первого тиристорного плеча, соединенный с катодом второго тиристорного плеча, образует вход этой цепочки.
Катод первого тиристорного плеча образует положительный выход цепочки, а анод второго тиристорного плеча - его отрицательный выход.
Положительные и отрицательные выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки 3, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора 1.
Первый и второй управляющие входы каждого тиристорного плеча соединены с соответствующими управляющими каналами системы управления 4.
Устройство работает следующим образом.
Трансформатор 1 питается однофазным переменным напряжением от источника питания и создает на секциях 5, 6, 7 вторичной обмотки пониженное напряжение.
Система управления 4 создает сигналы управления в соответствии с алгоритмом управления, которые поступают на управляющие входы заданных тиристорных плеч 8-15, открывая их тиристор 16. Открытый тиристор 16 свидетельствует об открытии его тиристорного плеча. Открытые тиристорные плечи подключают к нагрузке 3 те секции вторичной обмотки трансформатора 1, к которым подключены цепочки, содержащие эти тиристорные плечи.
При этом полное напряжение соответствующих секций вторичной обмотки трансформатора 1 прикладывается к нагрузке 3 тиристорными плечами, открытыми в начале полупериода питающего напряжения (сетевая коммутация), а неполное напряжение других секций вторичной обмотки трансформатора 1 прикладывается к нагрузке 3 тиристорными плечами, открытыми в другие моменты времени (фазная коммутация)
В результате на нагрузке 3 создается выпрямленное напряжение, которое складывается из двух частей: полного напряжения одних секций вторичной обмотки трансформатора, создающегося при сетевой коммутации, (основная часть) и неполного напряжения других его секций, создающегося при фазной коммутации, (дополнительная часть).
Система управления 4 в соответствии со своим алгоритмом с помощью сигналов управления открывает одни тиристорные плечи сразу после смены полярности питающего напряжения (сетевая коммутация), а другие тиристорные плечи - с некоторой задержкой (фазная коммутация). Регулирование моментов времени подачи сигналов управления при фазной коммутации приводит к соответствующей задержке открытия соответствующих тиристорных плеч относительно начала полупериода питающего наряжения. Чем больше такая задержка открытия, тем меньшая часть напряжения соответствующей секции вторичной обмотки трансформатора 1 добавится к напряжению нагрузки 3. Открытие тиристорных плеч не в начале полупериода приводит к изменению уровня дополнительной части выпрямленного напряжения нагрузки 3.
Например, при открытии в начале полупериода тиристорных плеч 9 и 10 к нагрузке 3 приложится напряжение секции 5 вторичной обмотки тягового трансформатора 1. Если в этом же полупериоде с некоторой задержкой открыть тиристорное плечо 12, то к нагрузке дополнительно прибавится часть напряжения секции 6 вторичной обмотки трансформатора 1. Во втором полупериоде для приложения к нагрузке 3 напряжения секции 5 необходимо открыть тиристорные плечи 8 и 11, а для дополнительного прибавления к нагрузке части напряжения секции 6 - необходимо открыть тиристорное плечо 13. Таким образом, изменяя момент открытия тиристорных плеч 12 и 13 можно регулировать выпрямленное напряжение на нагрузке в пределах между полным напряжением секции 5 и полным напряжением двух секций 5 и 6.
Для открытия тиристорных плеч при сетевой коммутации система управления 4 однократно подает сигнал на ключ 17 этого плеча, который замыкается. В результате при появлении положительного напряжения на тиристорном плече это напряжение прикладывается к последовательно соединенным резисторам 18 и 19, где делится в соответствии с их номиналами. Часть напряжения тиристорного плеча распределяется на резисторе 19, который подключен между управляющим электродом и катодом тиристора 16, т.е. напряжение на резисторе 19 является управляющим напряжением тиристора 16, что приводит к появлению тока управления тиристора 16. В свою очередь, появление тока управления тиристора 16, а также наличие между его анодом и катодом положительного напряжения, приводит к его открытию. Таким образом, при появлении положительного напряжения на любом тиристорном плече тиристорного моста 2, в котором замкнут ключ 17, это плечо будет самопроизвольно открываться без необходимости создания дополнительных сигналов управления. При появлении отрицательного напряжения на таком плече диоды 21 и 22 закроются и на резисторах 18 и 19 будет отсутствовать напряжение, способное создать току управления и открыть тиристор 16.
Для открытия тиристорных плеч при фазной коммутации система управления 4 подает сигнал на управляющий электрод тиристора 16, благодаря чему он открывается.
Система управления 4 во время создания сигналов управления затрачивает дополнительную энергию, объем которой определяется количеством открываемых тиристоров. Благодаря тому, что при сетевой коммутации соответствующие тиристорные плечи открываются самопроизвольно, то в системе управления не затрачивается энергия на их открытие. Вследствие этого снижается объем дополнительной энергии, которую система управления потребляет от источника питания и которая не расходуется полезно в нагрузке 3. В результате снижения такого непроизводительного потребления энергии повышается коэффициент полезного действия многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.
При смене полярности питающего напряжения изменяется полярность на выходе тиристорного моста, благодаря чему открываются тиристоры тех тиристорных плеч, в которых замкнут ключ 17. При открытии этих тиристоров ток в трансформаторе 1 начинает изменять свое направление. В результате смены полярности питающего напряжения ток во вторичной обмотке трансформатора 1 изменяет свое направление согласно полярности напряжения, что приводит к снижению фазового сдвига между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора 1. Это свидетельствует о небольшом потреблении реактивной энергии многозонным выпрямителем переменного однофазного тока и, как следствие, высоком коэффициенте мощности.
В лабораториях кафедры «Локомотивы» ДВГУПС проводилось математическое моделирование заявляемого устройства и прототипа, которое показало, что кпд заявляемого многозонного выпрямителя однофазного переменного тока выше на 0,2% по сравнению с прототипом, а коэффициент мощности обоих устройств был одинаковым и составлял 0,86-0,88 при различных режимах регулирования.
Использование заявляемого устройства повышает его энергоэффективность за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч при сохранении высокого коэффициента мощности.