Полупроводниковый преобразователь транспортного средства с питанием от сети переменного тока
Владельцы патента RU 2281599:
Закрытое акционерное общество "ОТРАСЛЕВОЙ ЦЕНТР ВНЕДРЕНИЯ НОВОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ" (RU)
Изобретение относится к области преобразовательной техники преимущественно транспортного назначения и предназначено, в частности, для электроподвижного состава с полупроводниковыми преобразователями, получающими питание от сети переменного тока. Техническим результатом является повышение коэффициента мощности электровоза за счет уменьшения длительности коммутации в выпрямительном преобразователе. Полупроводниковый преобразователь транспортного средства с питанием от сети переменного тока содержит выпрямитель, выполненный по мостовой схеме и соединенный с выводами вторичной обмотки тягового трансформатора, первичная обмотка которого подключена к питающей сети. Нагрузка - сглаживающий реактор, обмотки якоря и возбуждения тягового двигателя подключена к выходу выпрямителя. Сглаживающий реактор выполнен с двумя магнитно-связанными обмотками - основной и вспомогательной, причем основная обмотка сглаживающего реактора включена последовательно с тяговым двигателем. Конденсатор, буферный вентиль и включающий блок соединены последовательно и подключены к выходу выпрямителя. Шунтирующий диод включен параллельно конденсатору, а зарядный диод и вспомогательная обмотка сглаживающего реактора, соединенные последовательно, также подключены параллельно конденсатору. 4 ил.
Изобретение относится к области преобразовательной техники преимущественно транспортного назначения и предназначено, в частности, для электроподвижного состава с полупроводниковыми преобразователями, получающими питание от сети переменного тока.
Известен полупроводниковый преобразователь транспортного средства с питанием от сети переменного тока, содержащий выпрямитель, подсоединенный к выводам вторичной обмотки тягового трансформатора, и нагрузку, состоящую из сглаживающего реактора и тягового двигателя [1]. Регулирование выпрямленного напряжения производится путем открытия полупроводниковых вентилей в моменты времени, соответствующие регулируемому углу, который не может быть меньше наименьшего допустимого угла открытия вентилей, в начале каждого полупериода напряжения [1, стр.65]. Недостатком известного является задержка начала коммутации в выпрямителе на наименьший допустимый угол, вызывающая снижение выпрямленного напряжения и увеличение сдвига по фазе между током и напряжением питающей сети, что снижает коэффициент мощности электровоза и ухудшает его энергетические показатели.
В качестве прототипа изобретения целесообразно принять полупроводниковый преобразователь транспортного средства с питанием от сети переменного тока, содержащий выпрямитель, выполненный по мостовой схеме и подсоединенный к выводам вторичной обмотки тягового трансформатора, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, нагрузку, состоящую из сглаживающего реактора, обмотки якоря и обмотки возбуждения тягового двигателя и подключенную к выходу выпрямителя, буферный вентиль и включающий блок [2]. В прототипе повышение энергетических показателей достигается включением буферного вентиля, которым шунтируют нагрузку. Увеличение коэффициента мощности объясняется тем, что нет вынужденного протекания тока нагрузки против ЭДС трансформатора.
Недостаток известного заключается в неполной компенсации реактивной мощности, которая является следствием как индуктивного характера нагрузки, так и длительности процесса коммутации в выпрямительном преобразователе электровоза.
Техническим результатом является повышение коэффициента мощности электровоза за счет уменьшения длительности коммутации в выпрямительном преобразователе.
Существенные отличительные признаки предложения заключаются в том, что в полупроводниковый преобразователь дополнительно введены конденсатор, два диода - шунтирующий и зарядный, а сглаживающий реактор выполнен с двумя магнитно-связанными обмотками - основной и вспомогательной, причем основная обмотка сглаживающего реактора включена последовательно с тяговым двигателем, конденсатор, буферный вентиль и включающий блок соединены последовательно и подключены к выходу выпрямителя, шунтирующий диод включен параллельно конденсатору, соединенные последовательно зарядный диод и вспомогательная обмотка сглаживающего реактора также подключены параллельно конденсатору.
Введение в устройство совокупности новых элементов (сглаживающий реактор с двумя магнитно-связанными обмотками, конденсатор, шунтирующий и зарядный диоды) и их взаимосвязи позволяют уменьшить длительность коммутации в выпрямительном преобразователе. При этом потребление реактивной мощности из питающей сети уменьшается, а коэффициент мощности увеличивается.
Это обусловлено тем, что предварительно заряженный от вспомогательной обмотки сглаживающего реактора конденсатор шунтирует цепь тока тягового двигателя до момента снижения напряжения на выходе выпрямительного преобразователя до нуля и тем самым уменьшает ток во вторичной обмотке тягового трансформатора до начала коммутации в выпрямителе. Коммутация тока в выпрямителе начинается при меньших значениях тока в обмотке трансформатора, что сокращает ее длительность, смещает ток в сторону опережения и увеличивает коэффициент мощности электровоза.
Другим преимуществом предлагаемого устройства является снижение потери выпрямленного напряжения, связанного с процессом коммутации, и увеличение среднего значения выпрямленного напряжения.
На чертежах, представленных ниже, поясняются признаки и преимущества настоящего изобретения. В частности, показаны:
фиг.1 - схематическое изображение полупроводникового преобразователя транспортного средства с питанием от сети переменного тока;
фиг.2 - диаграммы тока и напряжения электровоза, соответствующие работе полупроводникового преобразователя прототипа;
фиг.3 - диаграммы тока и напряжения электровоза, соответствующие работе полупроводникового преобразователя в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4 - совмещенные диаграммы токов и напряжения электровоза, подтверждающие преимущества предлагаемого устройства.
Одинаковые, повторяющиеся, детали на чертежах обозначены одинаковым образом.
На фиг.1 полупроводниковый преобразователь транспортного средства с питанием от сети переменного тока 1 содержит тяговый трансформатор 2 и выпрямитель 3. К выходу выпрямителя подключена нагрузка: тяговый двигатель 4 и сглаживающий реактор 5. Выпрямитель 3 соединен своими входами с выводами вторичной обмотки тягового трансформатора 2. Обмотки якоря 6 и возбуждения 7 тягового двигателя 4 соединены последовательно. Сглаживающий реактор 5 выполнен с двумя магнитно-связанными обмотками - основной 8 и вспомогательной 9, причем основная обмотка 8 сглаживающего реактора 5 соединена последовательно с тяговым двигателем 4. Конденсатор 10, буферный вентиль 11 и включающий блок 12 (например, контактор) соединены последовательно и подключены к выходу выпрямителя 3. Шунтирующий диод 13 включен параллельно конденсатору 10. Последовательно соединенные зарядный диод 14 и вспомогательная обмотка 9 сглаживающего реактора 5 также подключены параллельно конденсатору 10.
На фиг.2 показаны диаграммы напряжения u1 на первичной обмотке трансформатора 2 и тока i1, потребляемого из питающей сети, при работе схемы в соответствии с прототипом. Длительность интервала коммутации в выпрямительном преобразователе обозначена γ0.
На фиг.3 показаны диаграммы напряжения u1 на первичной обмотке трансформатора 2 и тока i1, потребляемого из питающей сети, при работе схемы в соответствии с предложением. Длительность интервала коммутации в выпрямительном преобразователе обозначена γ0.
На фиг.4 показаны совмещенные диаграммы напряжений u1 и токов i1 для одного и того же режима работы схемы прототипа и предложения. Длительности интервалов коммутации обозначены γ0 и соответственно.
Предложенное устройство работает следующим образом.
При питании тягового двигателя 4 от выпрямителя 3 изменяют угол включения тиристоров и тем самым регулируют среднее значение выпрямленного напряжения. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока последовательно с двигателем включена основная обмотка 8 сглаживающего реактора 5. При этом, если включающий блок отключен (контактор 12 разомкнут), то в начале каждого полупериода (на фиг.2 моменты времени 1.505 с и 1.515 с соответственно) в выпрямителе начинается коммутация тока продолжительностью γ0. Длительность коммутации определяется начальным (например, i1(1.505 с)) и конечным (например, i1(1.505 с+γ0)) значениями тока i1. Величина угла коммутации γ0 определяет сдвиг по фазе между основными гармониками тока i1 и напряжения u1 и соответственно коэффициент мощности электровоза, а также потерю выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя.
При включенном включающем блоке (контактор 12 замкнут) и питании тягового двигателя 4 от выпрямителя 3 в каждый полупериод к основной обмотке 8 сглаживающего реактора 5 прикладывается напряжение, имеющее форму отрезков синусоиды. При этом от вспомогательной обмотки 9 через диод 14 заряжается конденсатор 10. Так как напряжение на конденсаторе до момента начала коммутации (например, 1.505 с) будет больше 0, то диод 11 смещается в прямом направлении и цепь из последовательно соединенных конденсатора 10, диода 11 и контактора 12 шунтирует выход выпрямителя 3 и ток i1 начинает снижаться. Шунтирующий диод 13 исключает возможность перезаряда конденсатора 10 и тем самым появление отрицательного напряжения на выходе выпрямителя. Коммутация тока в выпрямителе (фиг.3) начнется при меньшем значении тока (например, i1(1.505 с)), а ее продолжительность уменьшится. На совмещенных диаграммах токов (фиг.4) видно, что угол 
.
Снижение угла коммутации уменьшает сдвиг по фазе между основными гармониками тока i1 и напряжения u1 и увеличивает коэффициент мощности электровоза, а потеря выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя снижается.
Технико-экономическая эффективность предложения определяется тем, что при его использовании уменьшается реактивная мощность, потребляемая от источника питания, и соответственно повышается коэффициент мощности электровоза. Также уменьшаются пульсации выпрямленного тока, и увеличивается среднее значение выпрямленного напряжения.
Источники информации
1. Электровоз ВЛ80Р. Руководство по эксплуатации./ Под ред. Б.А.Тушканова. - М.: Транспорт, 1985. - 541 с.
2. А.С. №590843 Способ управления тиристорным преобразователем. Авторы изобретения Б.И.Хоменко, Б.М.Наумов и В.П.Шахов. - Опубл. в БИ №4 1978 г. МКИ Н 02 Р 13/16//В 60 L 9/12.
Полупроводниковый преобразователь транспортного средства с питанием от сети переменного тока, содержащий выпрямитель, выполненный по мостовой схеме и подсоединенный к выводам вторичной обмотки тягового трансформатора, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, нагрузку, состоящую из сглаживающего реактора, обмотки якоря и обмотки возбуждения тягового двигателя и подключенную к выходу выпрямителя, буферный вентиль и включающий блок, отличающийся тем, что в него дополнительно введены конденсатор, два диода - шунтирующий и зарядный, а сглаживающий реактор выполнен с двумя магнитно-связанными обмотками - основной и вспомогательной, причем основная обмотка сглаживающего реактора включена последовательно с обмоткой якоря и обмоткой возбуждения тягового двигателя, конденсатор, буферный вентиль и включающий блок соединены последовательно и подключены к выходу выпрямителя, шунтирующий диод включен параллельно конденсатору, последовательно соединенные зарядный диод и вспомогательная обмотка сглаживающего реактора также подключены параллельно конденсатору.
