Способ управления сетевой коммутацией тиристорных плеч выпрямительно-инверторного преобразователя

Предлагаемый способ управления относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использован для управления выпрямительно-инверторными преобразователями на электровозах, получающих питание от контактной сети однофазного переменного тока. Технический результат заключается в разработке способа управления с высоким коэффициентом мощности в режиме тяги на всех зонах регулирования напряжения, что достигается благодаря переводу накопленной в цепи выпрямленного тока электромагнитной (реактивной) энергии в нагрузку при помощи разрядного диодного плеча, включенного параллельно между анодной и катодной шинами преобразователя и шунтирующего цепь выпрямленного тока. Сущность изобретения заключается в увеличении нерегулируемого угла открытия α₀ тиристорных плеч до значения, при котором разрядное диодное плечо успевает полностью принять токовую нагрузку от ранее проводивших ток тиристорных плеч и тем самым закрывает эти отработавшие плечи. При этом подача импульсов управления с углом открытия α₀ на вступающие в работу тиристорные плечи осуществляется синхронно и только после получения сигнала от датчика угла коммутации, отслеживающего закрытие отработавших плеч. Открытие вступающих в работу тиристорных плеч, в свою очередь, приводит к закрытию разрядного диодного плеча и окончанию процесса коммутации. Таким образом, изменяется функциональное назначение угла открытия α₀ тиристорных плеч, который используется как управляющий импульс для перевода вступающих в работу плеч из запертого состояния в открытое для протекания следующего цикла выпрямления тока. 3 ил.

 

Предлагаемый способ управления относится к электротехнике, в частности, к преобразовательной технике, и может быть использован для управления выпрямительно-инверторными преобразователями на электровозах, получающих питание от контактной сети однофазного переменного тока.

Эксплуатация выпрямительно-инверторных преобразователей на электровозах переменного тока, построенных на полууправляемых вентилях - тиристорах, обусловлена низким коэффициентом мощности в режиме тяги, при котором преобразователь осуществляет выпрямление переменного тока контактной сети в постоянный ток для питания тяговых электродвигателей. Снижение коэффициента мощности электровоза происходит за счет большого угла фазового сдвига ϕ между синусоидами переменного тока и напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора. Это вызывает значительное потребление электровозом реактивной мощности, а следовательно, снижение использования активной составляющей энергии контактной сети.

Большая величина угла фазового сдвига ϕ в режиме тяги обусловлена существенной величиной угла α₀ - минимального нерегулируемого фазового сдвига импульса управления относительно начала полупериода напряжения, который необходим для отпирания тиристорных плеч преобразователя, и угла γ естественной коммутации тока плеч, вызываемого большими величинами токов в нагрузке и индуктивного сопротивления цепи переменного тока преобразователя.

Известен типовой способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока, содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов [Электровоз ВЛ80Р. Руководство по эксплуатации / Под ред. Б.А. Тушканова, М.: Транспорт, 1985. - С. 80-88].

Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя на всех зонах регулирования и в переводе накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку.

Для регулирования выпрямленного напряжения на 1-й зоне регулирования в интервале времени от α₀ до π импульсы управления с нерегулируемым углом α₀ подают на тиристоры двух плеч катодной группы моста этой зоны, а импульсы управления с регулируемым углом α_рег - на тиристоры двух плеч анодной группы моста.

Для регулирования выпрямленного напряжения на 2-й, 3-й и 4-й зонах регулирования на тиристоры всех плеч моста каждой предыдущей зоны подают импульсы управления с нерегулируемым углом α₀, а на тиристоры двух плеч другого моста, образующих последующую зону, подают импульсы управления с регулируемым углом α_рег.

Для перевода накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку на 1-й зоне в каждом полу периоде напряжения контактной сети эту цепь шунтируют тиристорами двух плеч, на которые подают соответственно импульсы с углами α₀ и α_рег. В результате перевод накопленной энергии в нагрузку осуществляют в интервале времени от α₀ до α_рег.

Недостаток типового способа управления заключается в том, что в интервале времени от 0 до α₀ на всех зонах регулирования напряжения перевод накопленной энергии происходит только в контактную сеть, что приводит к дополнительному потреблению реактивной энергии из сети и сохранению большой величины угла фазового сдвига ϕ. В результате снижается коэффициент мощности выпрямителя. Так, в номинальном режиме работы выпрямителя на 4-й зоне он не превышает значения 0,84.

Известен способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока, содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока выпрямителя неуправляемым вентилем - диодом [Патент №2322749, МПК Н02М 5/42, B60L 9/12. - Опубл: 20.04.2008, бюл. №11].

Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя на всех зонах регулирования и в переводе накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку путем шунтирования цепи выпрямленного тока диодом, катод которого присоединен к катодной, а анод - к анодной шинам выпрямителя. Благодаря диоду уменьшается реактивная и увеличивается активная составляющие полной энергии переменного тока, потребляемой электродвигателями из сети при выпрямлении в режиме тяги. Это обстоятельство повышает коэффициент мощности выпрямителя. Отключение диода от анодной шины при прекращении режима выпрямления производится с помощью силового контакта тормозного переключателя.

Достоинством данного способа управления многозонным выпрямителем является повышение коэффициента мощности на всех четырех зонах регулирования напряжения за счет перевода накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку путем шунтирования цепи выпрямленного тока диодом.

Недостатком данного способа управления является то, что положительный эффект от шунтирования цепи выпрямленного тока диодом ограничен, поскольку подразумевается использование диода только для ускорения протекания коммутации тиристорных плеч преобразователя, достигаемое сокращением угла открытия α₀ тиристорных плеч, без изменения функционального назначения этого угла. Как и в случае типового способа управления, тиристорные плечи коммутируют с предыдущими отработавшими плечами, а не с диодным плечом, и накопленная электромагнитная энергия цепи выпрямленного тока разряжается в контактную сеть, а не на тяговые электродвигатели. Это означает сохранение значительных потерь мощности в тиристорных плечах преобразователя и на диодном плече.

Наиболее близким к предлагаемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока, технический результат которого заключается в переводе в интервале времени от 0 до α_рег накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку [Патент №2561913, МПК Н02Р 7/292. - Опубл. 10.09.2015, бюл. №25].

Сущность изобретения заключается в регулировании выпрямленного напряжения и в переводе накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку на 1-й и последующих зонах, при этом при регулировании выпрямленного напряжения на 1-й зоне на тиристоры двух плеч катодной группы моста этой зоны подают импульсы управления с регулируемым углом α_рег, а дополнительный перевод накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку в интервале времени от 0 до α₀ осуществляют путем шунтирования цепи выпрямленного тока этой зоны диодом.

Данный способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока позволяет осуществить подачу на 1-й зоне на тиристоры двух плеч как анодной, так и катодной групп моста импульсов управления с регулируемым углом α_рег, что упрощает способ управления выпрямителем. При наличии на 1-й и последующих зонах неуправляемого вентиля, который шунтирует цепь выпрямленного тока нагрузки, данный способ управления позволяет перевести на 1-й зоне в интервале времени от 0 до α_рег, а на 2-й и последующих зонах в интервале времени от 0 до α₀ накопленную энергию индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку. Это приводит к уменьшению угла фазового сдвига ϕ, а значит, к снижению потребления выпрямителем реактивной энергии и к повышению его коэффициента мощности.

Достоинством данного способа управления является более ранний проход переменного тока в первичной обмотке трансформатора через нулевое значение. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению угла фазового сдвига ϕ и, соответственно, к увеличению коэффициента мощности выпрямителя.

Недостатком этого способа, как и предыдущего рассмотренного способа, является ограниченный положительный эффект от наличия диода, шунтирующего цепь выпрямленного тока нагрузки, что обусловлено стремлением уменьшить величину угла открытия α₀ тиристорных плеч без изменения функционального назначения этого угла. Поскольку продолжительность времени между началом нового полупериода и подачей импульса управления с нерегулируемым углом α₀ невелика и составляет в типовых выпрямителях около 9 эл. град., уменьшение этой продолжительности лишь незначительно увеличивает коэффициент мощности выпрямителя. Кроме того, как и в случаях типового и предыдущего рассмотренного способов управления, тиристорные плечи коммутируют с отработавшими плечами, а не с диодным плечом, и накопленная электромагнитная энергия цепи выпрямленного тока разряжается в контактную сеть, а не на тяговые электродвигатели. Это означает сохранение значительных потерь мощности в тиристорных плечах преобразователя и на диодном плече.

Задача, решаемая предлагаемым способом управления, заключается в осуществлении управления выпрямительно-инверторным преобразователем с высоким коэффициентом мощности на всех зонах регулирования, при котором производится закрытие отработавших тиристорных плеч с использованием буферного контура разрядного диодного плеча за счет электромагнитной энергии, накопленной в цепи выпрямленного тока, что достигается не минимизацией величины угла открытия α₀ тиристорных плеч, как предлагалось ранее, а увеличением это угла с изменением его функционального назначения.

Для решения поставленной задачи в способе управления преобразователем на всех зонах регулирования напряжения в режиме выпрямителя предлагается увеличить нерегулируемый угол открытия α₀, составляющий в типовых преобразователях около 9 эл. град., до значения в пределах от 9 эл. град, до 26 эл. град. Выбор данного диапазона связан с результатами математического моделирования, которые указывают на достижение в указанных пределах наибольшего положительного эффекта при использовании предлагаемого способа управления.

При угле открытия α₀ тиристорных плеч свыше 9 эл. град, и до 26 эл. град, разрядное диодное плечо успевает полностью принять токовую нагрузку от ранее проводивших ток тиристорных плеч и тем самым закрывает эти отработавшие плечи. При этом подача импульсов управления с углом открытия α₀ на вступающие в работу тиристорные плечи осуществляется синхронно и не в начале нового полупериода, а только после получения сигнала от датчика угла коммутации, отслеживающего закрытие отработавших плеч. Такое открытие вступающих в работу тиристорных плеч, в свою очередь, приводит к закрытию разрядного диодного плеча и окончанию процесса коммутации.

Таким образом, изменяется функциональное назначение угла открытия α₀ тиристорных плеч: он больше не обеспечивает потенциальные условия на анодах тиристорных плеч преобразователя, а используется как управляющий импульс для перевода вступающих в работу плеч из запертого состояния в открытое для протекания следующего цикла выпрямления тока.

С увеличением угла открытия α₀ тиристорных плеч в режиме выпрямителя и при условии наличия разрядного диодного плеча вступающие в работу в начале каждого полупериода тиристорные плечи коммутируют не с предыдущими отработавшими плечами, а с разрядным плечом. В результате электромагнитная (реактивная) энергия, накопленная в цепи выпрямленного тока, не возвращается в контактную сеть, а полезно используется в работе тяговых электродвигателей. За счет невозврата реактивной энергии в сеть полная энергия переменного тока, потребляемая электровозом из сети, уменьшается, что ведет к увеличению его коэффициента мощности.

Результаты математического моделирования работы преобразователя с предлагаемым способом управления продемонстрировали повышение коэффициента мощности в среднем на 3% на всех зонах регулирования напряжения в режиме тяги электровоза.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема выпрямительно-инверторного преобразователя с применением разрядного диодного плеча согласно предлагаемому способу управления.

На фиг. 2 приведены в табличной форме результаты математического моделирования работы преобразователя с предлагаемым способом управления при различных минимальных углах открытия α₀ для 4-й зоны регулирования напряжения.

На фиг. 3 представлена зависимость коэффициента мощности от величины минимального угла открытия α₀.

Таким образом, предлагаемый способ управления выпрямительно-инверторными преобразователями на электровозах позволяет осуществлять закрытие отработавших тиристорных плеч с использованием буферного контура разрядного диодного плеча за счет электромагнитной энергии, накопленной в цепи выпрямленного тока, что достигается изменением функционального назначения угла открытия α₀ и его увеличением до значения, обеспечивающего полное закрытие ранее проводивших ток тиристорных плеч разрядным диодным плечом. Благодаря этому достигается полезное использование электромагнитной энергии цепи выпрямленного тока в работе тяговых электродвигателей и снижение возврата реактивной энергии в контактную сеть, что ведет к уменьшению потребляемой электровозом полной энергии переменного тока и к увеличению его коэффициента мощности.

Способ управления выпрямительно-инверторными преобразователями на электровозах, получающих питание от контактной сети однофазного переменного тока, заключающийся в регулировании напряжения преобразователя на всех четырех зонах регулирования в режимах выпрямителя и инвертора и в переключении этих режимов с помощью контактов тормозного переключателя, а также в шунтировании цепи выпрямленного тока преобразователя в режиме выпрямителя разрядным диодным плечом, включенным параллельно между анодной и катодной шинами преобразователя, отличающийся тем, что на второй и последующих зонах регулирования напряжения в начале каждого полупериода разрядное диодное плечо осуществляет синхронное закрытие отработавших в предыдущем полупериоде тиристорных плеч преобразователя, а последующее синхронное открытие вступающих в работу тиристорных плеч осуществляют сразу после полного закрытия отработавших тиристорных плеч при получении сигнала от датчика угла коммутации, предназначенного для слежения за окончанием коммутации между отработавшими тиристорными плечами и разрядным диодным плечом.