Транспортный преобразователь напряжения контактной сети постоянного тока

 

Использование: электроподвижной состав с питанием от контактной сети постоянного тока и импульсным регулированием напряжения на тяговых двигателях. Сущность изобретения: в преобразователь с фильтром, фильтровыми конденсаторами, первой группой развязывающих диодов и двумя импульсными прерывателями, выполненными в виде 4-плечих тиристорных мостов с коммутирующими конденсаторами в выходных диагоналях, введена вторая группа развязывающих диодов. Переключение тиристоров прерывателей производится по сигналам от блока управления. Напряжение на нагрузке можно регулировать изменением ширины импульса на выходе каждого прерывателя. При этом максимальная ширина импульса может достигать половины периода. В устройстве обеспечивается равномерная токовая нагрузка полупроводниковых приборов, снижается частота их переключения и уменьшаются потери мощности. 3 ил.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано на электроподвижном составе с питанием от контактной сети постоянного тока и импульсным регулированием напряжения на тяговых двигателях.

Известен преобразователь для импульсного регулирования напряжения тягового электродвигателя транспортного средства, содержащий входной индуктивно-емкостной фильтр, подключенный входными зажимами к источнику питания, и установленный между фильтром и нагрузкой импульсный прерыватель, который состоит из четырех тиристоров, соединенных по мостовой схеме, коммутирующего конденсатора, подключенного к зажимам переменного тока моста и нулевых диодов (Электропоезда постоянного тока с импульсными преобразователями. /Под ред. Розенфельда В.Е. М. Транспорт, 1976, с. 280, рис. 1.14, 1.20).

Недостатком такого преобразователя является большая амплитуда импульсов напряжения на нагрузке, что требует для снижения пульсации тока нагрузки увеличения частоты коммутации в преобразователе и индуктивности реактора в цепи нагрузки.

Известен также преобразователь, содержащий входной LC-фильтр с реактором, первым и вторым фильтровыми конденсаторами, включенными последовательно между питающими выводами преобразователя, первый и второй импульсный прерыватель, включенные между выходными выводами LC-фильтра и соответствующими выводами для подключения нагрузки и выполненные в виде 4-плечих тиристорных мостов с коммутирующими конденсаторами в выходных диагоналях, группу из четного количества развязывающих диодов, связанную средним выводом с общим выводом фильтровых конденсаторов LC-фильтра, узел управления тиристорами импульсных прерывателей (авт. св. СССР N 1286447, кл. В 60 L 9/16, 1987).

Недостаток прототипа связан с увеличенным током развязывающих диодов, среднее значение которого в процессе регулирования достигает тока нагрузки, а также с высокой частотой их коммутации, что приводит к увеличению мощности потерь в них и снижает энергетические показатели преобразователя.

Задачей изобретения является снижение мощности потерь и увеличение энергетических показателей преобразователя.

Технический результат достигается тем, что в преобразователь введена вторая группа из четного количества развязывающих диодов, связанная средним выводом с общим выводом фильтровых конденсаторов LC-фильтра, при этом крайние выводы первой и второй диодных групп соединены соответственно с первым и вторым выводами переменного тока импульсных преобразователей. Отличительной является и функция, реализуемая узлом управления тиристорами.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема транспортного преобразователя напряжения контактной сети постоянного тока; на фиг.2 и 3 поясняющие принцип работы преобразователя диаграммы включения тиристоров первого (фиг. 2 а и 3 а) и второго (фиг. 2 б и 3 б) импульсных прерывателей, напряжение на выходе преобразователя (фиг. 2 в и 3 в) и диаграммы токов через полупроводниковые приборы первого прерывателя (фиг. 2 г и 3 г) для двух зон регулирования (когда τ<T/4 и T/4<τ<T/2)).

к.с.; два импульсных прерывателя 10 и 11, каждый из которых состоит из четырех тиристорных плеч 12, 13, 14 и 15, соединенных по мостовой схеме и имеющих два зажима переменного тока 16 и 17, плюсовой 18 и минусовой 19 зажимы постоянного тока, и коммутирующего конденсатора 20, подключенного к зажимам переменного тока 16 и 17, причем первый импульсный прерыватель 10 минусовым зажимом постоянного тока 19 подключен к выходному плюсовому зажиму 7 фильтра 1, а плюсовым 18 к одному выводу 21 нагрузки 22, а второй импульсный прерыватель 11 плюсовым зажимом 18 постоянного тока подключен к выходному минусовому зажиму 9 фильтра 1, а минусовым 19 к другому выводу 23 нагрузки 22; развязывающие диоды 24 и 25, объединенные в две группы 26 и 27, каждая из которых состоит из не менее чем двух последовательно соединенных диодов и подключена между зажимами переменного тока 16 и 17 первого 10 и второго 11 импульсных прерывателей, а средние точки соединения нулевых диодов 24 и 25 каждой группы соединены между собой и подключены к общему выходному зажиму 8 входного фильтра 1.

Работа преобразователя в первой зоне регулирования (τ <Т/4) осуществляется следующим образом. Пусть включены тиристоры 12 и 15 прерывателя 10 и тиристор 15 прерывателя 11 в соответствии с диаграммами включения тиристоров прерывателя 10 (фиг. 2а) и прерывателя 11 (фиг.2б). При этом ток нагрузки протекает по цепи: зажим 7 входного фильтра 1, зажим 19, тиристоры 12 и 15 и зажим 18 прерывателя 10, зажимы 21 и 23 нагрузки 22, зажим 19, тиристор 15 и зажим 16 прерывателя 11, нулевой диод 25 группы 27 и зажим 8 входного фильтра. В результате к нагрузке прикладывается напряжение конденсатора 3 входного фильтра, которое равно половине напряжения источника питания. По истечении времени t включают тиристор 14 прерывателя 10. Тиристор 15 прерывателя 10 выключается, в цепь протекания тока вместо тиристора 15 включается конденсатор 20 и тиристор 14 прерывателя 10 и напряжение на нагрузке становится равным сумме напряжений на конденсаторах 3 и 20. Конденсатор 20 начинает перезаряжаться током нагрузки и к моменту времени t_ф заряжается до напряжения конденсатора 3 фильтра с полярностью, противоположной показанной на фиг. 1. Тиристор 12 прерывателя 10 выключается и ток нагрузки замыкается по цепи: диод 24 группы 26, тиристор 14 прерывателя 10, нагрузка 22, тиристор 14 прерывателя 11 и диод 25 группы 26. Напряжение на выходе преобразователя становится равным нулю, а в кривой напряжения появляется пауза (фиг. 2в).

В момент времени Т/4, соответствующий четверти периода работы каждого прерывателя, включают тиристор 12 прерывателя 11. Ток нагрузки при этом замыкается по цепи: зажим 8 фильтра 1, диод 24 группы 26, тиристор 14 и зажим 18 прерывателя 11, зажим 9 фильтра 1. Напряжение на нагрузке равно напряжению на конденсаторе 4 фильтра 1 и составляет половину напряжения источника питания. По истечении времени τ с момента Т/4 включают тиристор 14 прерывателя 11, что приводит к выключению тиристора 15 и в цепи протекания тока вместо тиристора 15 включается конденсатор 20 прерывателя 11 и напряжение на нагрузке становится равным сумме напряжений на конденсаторе 4 и 20. Конденсатор 20 перезаряжается током нагрузки до напряжения на конденсаторе 4 фильтра с полярностью, противоположной показанной на фиг. 1. Тиристор 12 прерывателя 11 выключается и ток нагрузки замыкается по цепи: диод 24 группы 26, зажим 17, тиристор 14 и зажим 18 прерывателя 10, нагрузки 22, зажим 19, тиристор 14 и зажим 17 прерывателя 11, диод 25 группы 26. Напряжение на нагрузке становится равным нулю.

Далее в момент времени Т/2 включают тиристор 13 прерывателя 10, что приводит к прекращению протекания тока через диод 24 группы 26 и подключению нагрузки к источнику питания, а с задержкой времени t включают тиристор 15 прерывателя 10, чем заканчивается формирование третьего за период Т импульса напряжения на нагрузке.

В момент времени 3Т/4 включают тиристор 13 прерывателя 11 и с задержкой времени t тиристор 15 прерывателя 11, формируя, таким образом, четвертый импульс напряжения на нагрузке.

Работа преобразователя во второй зоне регулирования T/4<τ<T/2 осуществляется следующим образом. Пусть включены тиристоры 12 и 15 прерывателя 10 и тиристоры 13 и 14 прерывателя 11 в соответствии с диаграммами включения тиристоров прерывателя 10 (фиг. 3а) и прерывателя 11 (фиг. 3б). При этом ток нагрузки протекает по цепи: зажим 7 входного фильтра 1, зажим 19, тиристоры 12, 15 и зажим 18 прерывателя 10, зажимы 21 и 23 нагрузки 22, зажим 19, тиристоры 13, 14 и зажим 18 прерывателя 11 и зажим 9 входного фильтра. В результате к нагрузке прикладывается напряжение последовательно соединенных конденсаторов 3 и 4 входного фильтра, которое равно напряжению источника питания. По истечении времени (τ -Т/4) включают тиристор 15 прерывателя 11. Тиристор 14 прерывателя 11 выключается и в цепи протекания тока вместо тиристора 14 включаются конденсатор 20 и тиристор 15 прерывателя 11 и напряжение на нагрузке становится равным сумме напряжений на конденсаторах 3, 4 и 20. Конденсатор 20 начинает перезаряжаться током нагрузки и к моменту времени (t_ф Т/4) заряжается до напряжения конденсатора 4 фильтра с полярностью, противоположной показанной на фиг. 1. Тиристор 13 прерывателя 11 выключается и ток нагрузки замыкается по цепи: зажим 7 входного фильтра 1, зажим 19, тиристоры 12 и 15 прерывателя 10, нагрузка 22, тиристор 15 прерывателя 11, зажим 16 прерывателя 11, диод 25 группы 27, зажим 8 входного фильтра 1. Напряжение на выходе преобразователя становится равным напряжению на конденсаторе 3 входного фильтра (фиг. 3в).

В момент времени Т/4, соответствующий четверти периода работы каждого прерывателя, включает тиристор 12 прерывателя 11. Ток нагрузки при этом замыкается по цепи: зажим 7 фильтра 1, зажим 19 прерывателя 10, тиристоры 12 и 15 прерывателя 10, нагрузка 22, зажим 19, тиристоры 15, 12 и зажим 18 прерывателя 11, зажим 9 фильтра 1. Напряжение на нагрузке равно напряжению на последовательно соединенных конденсаторах 3 и 4 фильтра 1, т.е. напряжению источника питания. По истечении времени (τ Т/4) во второй четверти периода включают тиристор 14 прерывателя 10, что приводит к выключению тиристора 15 и в цепь протекания тока вместо тиристора 15 включается конденсатор 20 прерывателя 10 и напряжение на нагрузке становится равным сумме напряжений на конденсаторах 3, 4 и 20. Конденсатор 20 перезаряжается током нагрузки до напряжения на конденсаторе 4 фильтра с полярностью, противоположной показанной на фиг. 1. Тиристор 12 прерывателя 10 выключается и ток нагрузки замыкается по цепи: зажим 8 входного фильтра 1, диод 24 группы 26, зажим 17, тиристор 14 и зажим 18 прерывателя 10, нагрузка 22, зажим 19, тиристоры 15 и 12, зажим 18 прерывателя 11, зажим 9 входного фильтра 1. Напряжение на нагрузке становится равным напряжению на конденсаторе 4 входного фильтра 1, т.е. половине напряжения источника питания.

Далее в момент времени Т/2 включают тиристор 13 прерывателя 10, что приводит к прекращению протекания тока через диод 24 группы 26 и подключению нагрузки к источнику питания, а с задержкой времени (t -Т/4) включают тиристор 14 прерывателя 11, чем заканчивается формирование третьего за период Т импульса полного напряжения на нагрузке.

В момент времени 3Т/4 включают тиристор 13 прерывателя 11 и с задержкой времени (t Т/4) тиристор 15 прерывателя 10, формируя таким образом четвертый импульс полного напряжения на нагрузке.

В результате среднее значение напряжения на нагрузке U_d= U_к.с.·2τ_ф/T можно регулировать изменением ширины импульса на выходе каждого прерывателя. При этом максимальная ширина импульса может достигать половины периода, т.е. τ_ф≅Т/2.

Среднее значение тока через тиристоры 14, 15 прерывателей 10 и 11 составляют половину тока нагрузки независимо от ширины импульсов выходного напряжения (фиг. 2г и 3г), а средние значения токов через тиристоры 12, 13 и нулевые диоды 24, 25 изменяются при регулировании ширины импульсов, не превышая в любом случае половины тока нагрузки. Частота переключения всех полупроводниковых приборов преобразователя в четыре раза меньше, чем частота пульсации выходного напряжения.

Равномерная токовая нагрузка полупроводниковых приборов, снижение частоты их переключения определяют технико-экономическую эффективность изобретения, состоящую в снижении потерь мощности в преобразователе.

Формула изобретения

Транспортный преобразователь напряжения контактной сети постоянного тока, содержащий LС-фильтр с реактором, первым и вторым фильтровыми конденсаторами, включенными последовательно между питающими выводами преобразователя, первый и второй импульсные прерыватели, включенные между выходными выводами LС-фильтра и соответствующими выводами для подключения нагрузки и выполненные в виде 4-плечих тиристорных мостов с коммутирующими конденсаторами в выходных диагоналях, первую группу из четного количества развязывающих диодов, связанную средним выводом с общим выводом фильтровых конденсаторов LС-фильтра, узел управления тиристорами импульсных прерывателей, отличающийся тем, что в него введена группа из четного количества развязывающих диодов, связанная средним выводом с общим выводом фильтровых конденсаторов LС-фильтра, при этом крайние выводы первой и второй диодных групп соединены соответственно с первыми и вторыми выводами переменного тока импульсных прерывателей, узел управления тиристорами последних выполнен с возможностью их отпирания в каждой четверти периода Т преобразования на время τ, τ_ф(τ_ф= τ+Δτ, где Δτ время перезарядки коммутирующего конденсатора), (T/4-τ) или Т/4 для первой зоны регулирования и на время (τ-T/4), (τ_ф-T/4), (T/2-τ)) или Т/4 для второй зоны регулирования в соответствии с временными диаграммами, приведенными на фиг. 2,а и 3,а описания изобретения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3