Способ повышения энергетических показателей электровозов переменного тока с вип на igbt транзисторах (модулях) по критерию потребления максимально активной мощности

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано на электроподвижном составе, получающем питание от однофазной сети переменного тока. Техническим результатом является максимально эффективное использование электромагнитной энергии, накопленной в цепи выпрямленного тока, для питания тяговых электродвигателей. При зонно-фазовом управлении выпрямительно-инверторным преобразователем, силовая схема которого основана на использовании IGBT транзисторов (модулей) в качестве управляемых силовых ключей, плечи, обеспечивающие работу нерегулируемой обмотки тягового трансформатора, включаются каждый полупериод напряжения в момент ωt=0 эл. град. Их выключение производится в момент, когда ωt=140-150 эл. град., что совпадает со временем выключения регулируемой обмотки тягового трансформатора. За счет такого управления обеспечивается максимальная компенсация индуктивной нагрузки и максимально потребляется активная мощность из сети и полностью используется электромагнитная энергия, накопленная в цепи выпрямленного тока.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано на электроподвижном составе, получающем питание от однофазной сети переменного тока.

Известен применяемый в настоящее время на электроподвижном составе, тиристорный многозонный выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) [1]. Преобразователь состоит из набора тиристорных плеч, образующих схему двухполупериодного мостового выпрямителя, и подключен к тяговым электродвигателям постоянного тока. В такой схеме тиристор (плечо) невозможно запереть в произвольный момент времени, что совместно с индуктивным характером нагрузки (сглаживающий реактор (CP) и тяговый двигатель (ТД)) приводит к тому, что ток сдвигается относительно сетевого напряжения. Основным недостатком такого преобразователя является достаточно низкий коэффициент мощности, не более 0,84.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является многозонный выпрямительно-инверторный преобразователь и способ его управления, содержащий параллельные ключевые мосты, трансформатор с одной или более вторичными обмотками, диодное плечо, образующие схему двухполупериодного мостового выпрямителя с возможностью зонно-фазового регулирования, соединенного с коллекторным тяговым электродвигателем, датчик тока первичной сети и датчик напряжения первичной сети, подключенные к системе управления [2]. Каждое ключевое управляемое плечо состоит из последовательно включенных диода и управляемого электронного ключа, в качестве которого может использоваться IGBT транзистор (модуль). При зонно-фазовом управлении ВИП, после момента перехода напряжения через ноль с помощью управляемых ключевых плеч на электродвигатель сначала подается напряжение с малой обмотки трансформатора, а через некоторое время подается дополнительное напряжение с дополнительной обмотки трансформатора, которое через некоторое время снимается. Время включения и выключения дополнительной обмотки трансформатора выбирают такими, чтобы сдвиг тока сети относительно напряжения сети на первой гармонике сетевой частоты уменьшить до нуля.

К достоинствам такого ВИП относится то, что в основе силовой схемы используются IGBT транзисторы (модули), с помощью которых можно осуществлять управление временами включения и выключения плеч ВИП, что в совокупности с изложенным способом управления позволяет обеспечить больший коэффициент мощности по сравнению со штатным ВИП.

Из недостатков можно выделить сам способ управления, нерегулируемая обмотка открывается через некоторое время, после перехода напряжения через ноль в полупериоде, что несколько ослабляет компенсацию реактивного тока, вызванного индуктивной нагрузкой. Закрытие нерегулируемой обмотки ТТ происходит без учета накопленной электромагнитной энергии в цепи выпрямленного тока, хотя наиболее полное использование этой энергии позволит максимально поддержать выпрямленный ток на одном уровне, что повысит коэффициент мощности.

Целью предлагаемого изобретения является максимальное использование электромагнитной энергии, накопленной в цепи выпрямленного тока, с учетом максимального использования активной мощности.

На Фиг.1 показан режим работы ВИП с предлагаемым способом управления: u_сети - напряжение сети; u_упр1 - напряжение управления плеч, обеспечивающих работу нерегулируемой обмотки; u_упр2 - напряжение управления плеч, обеспечивающих работу регулируемой обмотки; VD - время, в течение которого работает дополнительное разрядное диодное плечо.

При реализации такого способа управления выпрямительно-инверторным преобразователем на IGBT транзисторах (модулях) обеспечивается максимальное потребление активной мощности из сети за счет того, что максимально компенсируется индуктивная нагрузка.

Открытие плеч ВИП, обеспечивающих работу нерегулируемой обмотки ТТ (например, обмотка 1-x1 при работе ВИП на 2-й зоне, плечи 3 и 6 в одном полупериоде напряжения и 5 и 4 в другом полупериоде напряжения), на 2, 3, 4-й зонах осуществляется каждый полупериод напряжения в момент ωt=0 эл. град., выключение же нерегулируемой обмотки производится одновременно с выключением регулируемой обмотки ТТ (например, обмотка a1-1 при работе ВИП на 2-й зоне) в момент времени ωt=140-150 эл. град., после выключения проводящих плеч в работу вступает дополнительное разрядное диодное плечо, которое устанавливается параллельно цепи выпрямленного тока, состоящей из CP и ТЭД, образуя более длительный контур разряда электромагнитной энергии, обеспечивая тем самым полное использование электромагнитной энергии, накопленной в цепи выпрямленного тока.

Техническим преимуществом указанного способа зонно-фазового управления, является максимально эффективное использование электромагнитной энергии накопленной в цепи выпрямленного тока.

Источники информации

1. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации [Текст] / Под ред. Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, Л.А. Позднякова и др. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с: ил., табл.

2. Патент 2498490 Российская Федерация, МПК H02M, H02P, G05F, B60L. Многозонный выпрямительно-инверторный преобразователь и способ управления преобразователем [Текст] / Портной А.Ю., Мельниченко О.В., Шрамко С.Г., Полуянов А.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». - №2012114982/07; заявл. 16.04.2012; опубл. 10.11.2013, Бюл. №31. - 7 с.: ил.

Способ зонно-фазового управления выпрямительно-инверторным преобразователем электровоза переменного тока с применением IGBT транзисторов (модулей) в качестве электронных управляемых силовых ключей, отличающийся тем, что максимально используется потребление активной мощности тяговыми двигателями из сети за счет более полной компенсации индуктивной нагрузки, путем открытия плеч ВИП на 2, 3, 4-й зонах нерегулируемой обмотки тягового трансформатора каждый полупериод напряжения в момент ωt=0 эл. град., а также полного использования накопленной электромагнитной энергии в цепи выпрямленного тока, путем выключения нерегулируемой и регулируемой обмоток тягового трансформатора в момент времени ωt=140-150 эл. град., образуя более длительный контур разряда электромагнитной энергии через дополнительное разрядное диодное плечо, установленное параллельно цепи выпрямленного тока.