Способ управления вентальными преобразователями электроподвижного состава переменного тока

 

О П И С А Н И Е ц 515674

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советск ив

Социалистические

Республик

1

1 г

",г (6! ) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 11.04.74 (21) 1986948/11 с присоединением заявки № 2Q493Q4/11 (23) Приоритет 05.08.74 по п.4 (sl)M. кл.

В 601 9/12

Н 02 7/155

Н 02 Р 13/lS

Государственный комитет до делам изобоетеинй н открытий (53) УДК 621.337, 41 3 077 65 (088.8) Опублнковано07. 10.80. Бюллетень ¹ 37

Дата опубликования опнсання 10.11.80 (72) Авторы изобретения

Б. Н. Тихменев, А. В. Каменев и 3. М. Рубчинский

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно— исследовательский институт железнодорожного транспорта (7!) Заявитель (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

ЭЛЕКТРОПОДВИЖНСГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННСГО ТОКА

Изобретение относится к области сис тем управления преобразовательной техникой и предназначено преимущественно для электроподвижного состава переменного тока магистральных и пригородных железных дорог.

Известен способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава переменного тока, питающимися от трансформатора,- параллельно вторичной обмотке которого подключен конденсатор

1о путем подачи регулируемых по фазе управляющих импульсов на главные и гасящие управляемые электрические вентили.

I5

Применение принудительной емкостной коммутации в вентильных преобразователях обеспечивает смещение первой основной гармоники тока вперед по сравнению с основной гармоникой тока обычного преобразователя без принудительной коммутации, тем самым обеспечивается повышение коэффициента мощности до требуемых пределов. Однако известный способ

2 требует применения коммутирующих конденсаторов большой емкости, размеры и

1 вес которых неприемлемы для установки на электроподвижном составе. Поэтому известный способ не обеспечивает повььшение техникоэкономических и тягово энергетических показателей электроподвижного состава и системы энергоснабже ния в целом.

Ф

С целью повышения технико-економических и тягово нергетических показате лей элекроподвижного . состава и системы энергоснабжения по предлагаемому способу первоначально подают регулируемые по фазе управляющие импульсы на главные вентили одного преобразователя и в момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на главные вентили другого преобразователя, затем во второй половине данного полупериода питающего напряжения подают управляющие импульсы на гасящие вентили одного из преобразо5

3 51 вателей и в момент появленич амплитуды первого полупериода частоты coGcTBeHHbKK колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на гасящие вентили второго преобразователя, а ь следу|ощем цолупериоде питающего напряжения очередность работы преобразователей меняют.

Йля снижения потерь напряжения в тяговой сети на конечной стадии регулирования при полном напряжении на тягсь. вых электродвигателях при уменьшении фазы первоначального управляющего импульса до минимальной величины можно подать управляющие импульсы на главные вентили акже других преобразователей

У затем при достижении током вторичной обмотки трансформатора величины тока нагрузки одного преобразователя подают управляющие импульсы на гасящие вентили одного преобразователя и в момент достижения током во вторичной обмотке трансформатора величины, равной общему току нагрузки всех преобразователей, подают управляющие импульсы на главные вентили указанных преобразователей.

На конечной стадии регулирования после того, как вследствие подачи первоначальных управляющих импульсов на главные вентили одного преобразователя минимальное напряжение на конденсаторе уменьшают до нуля„подают управляющие импульсы на противофазные гасящие вентили одного из преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили.

Зля повышения коэффициента мощности за счет устранения короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора в процессе коммутации главных вентилей преобразователей и уменьшения минимальной фазы первоначальных управляющих импульсов одновременно с первоначальными управляющими импульсами на главные вентили одного преобразователя подают управляющие импульсы на противофазные гасящие вентили одного из преобразователей; которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные венти ли, и затем в момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на главные вентили другого преобразователя.

На фиг.1 показана принципиалытая блоч- иая еиповая схема двух полууправляемых симметричных вентильных преобразо,вателей на фиг.2- временные диаграммы аапряжений и токов в процессе регулир вания напряжений; на фиг.З вЂ” то же, на конечной стадии регулирования на фиг.4принципиальная силовая схема двух полууп равляемых несимметричных вентильных преобразователей с подключением гасящих вентилей к одному концу вторичной обмотки трансформатора на фиг.5 — кривая напряжения на вторичной обмотке трансформатора и конденсатора и моменты подачи управляющих импульсов; на фиг.б — другой пример принципиальной силовой схемы двух полууправляемых несимметричных вентильных преобразователей с подключением гасящего вентиля одного вентильнс го преобразователя к одному концу вторичной обмотки трансформатора, гасящего вентиля другого вентильного преобразователя — к другому концу вторичной обмотки на фиг.7 — соответствующие фиг.б кривая напряжения трансформатора и алгоритм управления в процессе регулирования.

Вентильные преобразователи 1 и 2 . электроподвижного состава переменного тока питаются от траснформатора 3, параллельно вторичной обмотке 4 которого подключен конденсатор 5 (см.фиг. 1).Каждый из вентильных преобразователей 1 и

2 выполнен по известной мостовой схеме и из управляемых и неуправляемых электрических вентилей.

Вентильный преобразователь 1 содержит два полностью управляемых плеча

6 и 7, каждое из которых состоит, в свою очередь, из главного и гасящего электрического вентиля, а также вспомогательного вентиля, коммутирующего дросселя и коммутирующего конденсатора. B принципе полностью управляемое плечо вентильного преобразователя может быть выполнено по любой известной схеме.

Ива других плеча 8 и 9 вентильного преобразователя 1 выполнены:в виде неуправляемых электрических вентилей хотя принципиально возможно их выполнение в виде управляемых электрических вентилей или же в виде полностью управляемго плеча подобно плечам 6 и 7. Вентиль ный преобразователь 2 (см.фиг.l) подобен преобразователю 1 и содержит полностью управляемые плечи 10 и 11 неуправляемые плечи 12 и 13.

При угле фазового регулирования ф (см.фиг.2) в полупериод питающе2.о напря. жения сети U=- 9 „Ь л шЪ| IAt

Ц aмплитyда вторичного напряжения трансформатора 3, соответствующая полярности напряжения, отмеченной на фиг.1 стрелкой и знаками + -" на конденсаторе 5, до мемента времени то515674

5 ки тяговых двигателей, поддерживаемые

ЭДС самоиндукции сглаживающих реакторов, замыкаются через плечи 7,8 вентиль ного. преобразователя 1 и плечи 11,12 вентильного преобразователя 2. В цепи вторичной обмотки 4 трансформатора 3 и конденсатора 5 протекает емкостной ток i " J GDS 43k

М, где — амплитуда принужденного емкостного тока. На фиг.2 обозначено также на- 10 пряжение Цс на конденсаторе 5.

Для упрощения процессы в силовой схеме описаны при допущении, что выпрямленный ток двигателя 3d/, идеально сглажен i d!2 = 3О1/2 = Ьоь;уЬ

B момент времени 11 открывается полностью управляемое плечо одного из вентильных преобразователей, например плечо 6 преобразователя 1. При этом, пос- 20 кольку трансформатор 3 обладает индуктивным сопротивлением, выпрямленный ток группы тяговых двигателей, равный половине общего тока Я, замыкается через конденсатор 5, и начинается его разряд.

По мере разряда емкости конденсатора 5 нарастает ток (. в трансформаторе 3.

К моменту времени Ь, отстоящему or момента времени .Ь„на четверть периода колебаний контура трансформатора 3 — кон-30 денсатор 5 с некоторой собственной угловой частотой весь ток — Ы открытог а

2 вентильного преобразователя замыкается через трансформатор 3. Но в этот,. ом=1т напряжение на конденсаторе 5 г.:е и ми- З5 нимальную величину и под дейст-:.;, ем QC, трансформатора 3, превышающей полряжение на конденсаторе 5, начинается заряд последнего, и процесс роста токо D трансформаторе продолжается, причем все более 1п замедленно. Если не учитывать затухания колебательного процесса из-за наличия активных сопротивлений, то к моменту времени Ь, соответствующему полупериоду колебатюльного процесса, прирост тока во вторичной обмотке 4 трансформатора 3 ttocтигает полной величины $3 . для момента времени характерно появление амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора 5.

В этот момент зарядный ток конденсатора достигает 1 3d (точнее Д+ 1„ " ь соооасар, оеярьюаееся йоаяосеью уяравляемое плечо 10 второго вентильного преобразователя 2 и ток второй группы тяговых двигателей замыкается через вторичную обмотку 4 трансформатора, тогда как зарядный ток через конденсатор 5 прекращается.

На конечной стадии регулирования, после того как вследствие подачи первоначальных управляющих импульсов на главные вентили 6 (см.фиг.1) одного преобразователя минимальное напряжение на конденсагоре 5 уменьшается до нуля (см.фиг.3), подают управляющие импульсы на противофазные гасящие вентили плеча одного из

Ф вентильных преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили, например в плече 10, обеспечивая тем самым дальнейший рост тока Ь-1- во вторичной обмотке 4 трансформатора 3.

Йля устранения короткого замыкания вторичной обмотки 4 трансформатора 3 в процессе коммутации главных вентилей преобразователей как в процессе изменения фазы угла регулирования с (см.фиг.2, и 3), так и в момент перехода кривой питающего напряжения через нуль, т.е. при

С =О, одновременно с импульсами управления на главные вентили одного преобразователя, например в плече 6 (см.фиг.1), подают управляющие импульсы также и на противофазные гасящие вентили одного йз преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили, например в плече 10 (см.фиг.l), а затем в момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора 5 подают управляющие импульсы на главные вентили в плече 10.

Йля гашения тока в трансформаторе 3 в конце полупериода питающего напряжения осуществляется обратный процесс. В момент времени 14 закрывается полностью управляемое плечо 1Q вентильного преобразователя 2. Выпрямленный ток второй группы тяговых двигателей замыкается через плечи 11 и 12 вентильного преобразователя

2, а половина тока 1с вторичной обмотки

4 трансформатора 3 замыкается через конденсатор 5, вызывая начало заряда его емкости. Повышение напряжения на конденсаторе 5 сопровождается все более интен« сивным падением тока во вторичной обмотке 4 трансформатора 3 и в самом конден саторе 5. Через четверть периода колебательного процесса в конденсаторе 5 ток падает до нуля, а во вторичной обмотке 4 трансформатора 3 до + 3d

В момент времени + напряжение на конденсаторе 5 достигает максимальной величины и, поскольку оно превышает ЗЙС трансформатора 3, продолжается падение тока в последнем, а в конденсаторе 5 появляется ток обратного направления, т.е. ка на линии связи.

Последнее обеспечивается в полной мере, если после отпирания первого вентиль35 ного преобразователя, в конце коммутации. ток в трансформаторе достигает величины выпрямленного тока Лс и приращение этого тока во времени 8)CH момент времени ., отпирания второго вентильного преобразователя будет равна нулю или при пульсирующем токе величине д фвыпрямленного тока, после отпирания второго вентильного преобразователя.

Дальнейшее усовершенствование пред45 лагаемого способа помимо указанного положительного эффекта позволяет также применить на электроподвижном составе более простую силовую схему, а именно вместо четырех полностью управляемых

50 плеч для двух вентильных преобразователей (см.фиг. 1) возможно использовать преобразователи только с двумя полностью управляемыми плечами (см.фиг.4).

Вентильный преобразователь 1 выполнен по мостовой схеме с четырьмя плечами 6-9 (см.фиг.4), из которых плечи

6 и 9 выполнены в виде неуправляемых электрических вентилей, плечо 8 — в виде

7 51 56 начинается разряд. В конце полупериода

1 питающего напряжения колебательного процесса — момент времени, конденсатор

5 разряжается, ток в трансформаторе 3 падает почти до нуля (точнее до ) . CQS " к +| ), а выпрямленный ток первой группы тяговых двигателей замыкается через конденсатор 5. В момент времени 4 закрывается полностью управляемое плечо 6 вентильного преобразователя 1, и ток первой 10 группы тяговых двигателей замыкается через плечи 6 и 8 вентильного преобразователя 1, тогда как .ток через конденсатор 5 прекрагцается.

1S

Такой способ управления процессом коммутации, как при образовании цепи тока через трансформатор в начале или середине полупериода питающего напряжения (при фазовом регулировании напряжения), так и при запирании тока в конце данного цолупериода питающего напряжения, обеспечивает повышение коэффициента мощности электроподвижного состава, снижение потерь напряжения в тяговой сети и позволяет отказаться от применения промежуточных ступеней регулирования, увеличивающих потребное количество тиристоров и усложняющих конструкцию трансформатора.

Одновременно достигается сокращение Зр высших гармоник тока в тяговой сети и снижение мешающего влияния тягового то71 8 управляемого электрического вентиля, плечо 7 является полностью управляемьгм и состоит из главного вентиля 14, гасящего вентиля 15, вспомогательного вентиля 16, коммутирующего дросселя 17 и коммутирующего конденсатора 18. Вентильный преобразователь 2 выполнен по мостовой схеме с четьгрьмя плечами 10-13, из которых плечи 10 и 13 выполнены в виде неуправляемых электрических вентилей, плечо ll в виде управляемого электрического вентиля, плечо 12 является полностью управляемым и состоит из главного вентиля 19 гасящего вентиля 20, вспомогательного вентиля 21, коммутирующего дросселя

22 и коммутирующего конденсатора 23.

Гасящие вентили 15 и 20 подключены к одному (на фиг.5 — к левому) концу вторичной обмотки 4 трансформатора 3.

Управление и регулирование вентильных преобразователей 1 и 2 производят следую. щим образом. В соответствующие полупери-„ оды изменения питающего напряжения коммутирующие конденсаторы 18 и 23 заряжаются соответственно по цепям через

17,16,15,6 и 22,21,9 от вторичной обмотки 4 трансформатора 3 и приобретают на нижних (см.фиг.4) обкладках положительный потенциал. LLo момента отпирания управляемых вентилей токи тяговых двигателей первого и второго вентильных преобразователей протекают по цепи плеч соответственно 9,6 и 13,10 под действием Х1С, запасенной в индуктивностях сглаживающих реакторов и обмоток двигателей. В момент. перехода кривой питающего напряжения через нуль при реализации известных способов управления подают широкий по длительности управляющий импульс, например, на плечо 8 первого вентильного преобразователя 1. Поскольку обмотка 4 трансформатора 3 в этом случае оказывается закороченной плечами 8 и 9, T о коммутация тока -двигателей из цепи вентиля 9 в цепь вентиля 8 осуществляется под действием тока короткого замыкания, а выпрямленное напряжение при этом равно нулю.

Юля устранения короткого замыкания вторичной обметки 4 в процессе переключения тока из цепи плеча 9 в цепь плеча

8 при использовании предлагаемого спосо6а управления одновременно с подачей коротких цо длительности управляющих импульсов на управляемый вентиль 8 производят подачу управляющего импульса еще и на гасящий вентиль 15 противофазного плеча этого же вентильного преобразователя 1 (см.фиг.5, момент времени). В этом случае ток тяговых двигателей переклюC} 5156 чается из цепи плеч 9,6 в цепь 8, 15, 17, 18 под действием напряжения коммутирующего конденсатора 18. llanee в процессе нарастания напряжения на вторичной обмотке 4 трансформатора 3 (плечо 9 уже

5 заперто) ток тяговых двигателей перемещается в цепь конденсатора 5 и вторичнои обмотки 4 трансформатора, а коммутирующий конденсатор 18 заряжается по цепи 6,16 и через дорссель 17 от вторич- ip ной обмотки 4 трансформатора 3. При этом ь обмотке трансформатора и конденсаторе 5 возникает колебательный процесс тока с частотой собственных колебаний, обусловленной емкостью конденсатора 5 и индуктивностью трансформатора. Через полупериод частоты собствен.ных колебаний ток в обмотке 4 трансформатора достигает величиньь равной общему току обоих вентильных преобразователей. В момент времени tg (см.фиг.5)

/ полают управляющий импульс на главный вентиль 19 той же фазы, но уже другого вентильного преобразователя 2. Ток тяговых двигателей переключается из цепи плеч 13,10 в цепь главного вентиля

19, а в конденсаторе 5 ток скачком спадает до величины принужденного тока, и колебательный процесс прекращается. При этом процесс переключения тока из цепи плеча 13 в цепь главного вентиля 1 9 не сопр овождается кор отким замыканием, так как к моменту подачи управляющего импульса на главный вентиль19 во вторичной обмотке 4 трансформатора 3 уже протекал суммарный ток нагрузки вентильного преобразователя, а дальнейший его рост означал бы потерю вентильных свойств плеч 13 или 9, Далее токи тяговых двигателей протекают по цепям соответственно 8,6 и 19, 10 под действием ЭДС вторичной обмотки

4 трансформатора 3. Коммутирующий конденсатор 18 продолжает заряжаться через цепь Gq16 и дроссель 17, и напряжение

45 на нем достигает амплитуды напряжения вторичной обмотки 4 через четверть периода изменения питающего напряжения.

В момент Ъ (см.фиг.5), опережающий следующую точку перехода кривой

50 питающего напряжения через нуль, r.e. еще в пределах данного полупериода, подают управляющий импульс на гасящий вентиль 19 (см.фиг.4) второго вентильного преобразователя, переключая тем самым ток двигателей снова в цепи плеч 13 и

10, а ток трансформатора в конденсатор

5. Снова возникает колебательный ток в конденсаторе, в результате которого к концу цолуперпоца цит:11 ш; гс .апряжения ток в трансформатор» и конденсаторе 5 спадает до величины принужденного тока, а токи тяговых двигателей снова замыка:.отся по цепям плеч соответственно 13, 10 и 9,6.

Для обеспечения симметрии в нагрузке двигателей по полупериодам очередность раооты вентильных преобразователей в следующем полупериоде изменяют на обратную. Здесь (cM.фиг.5) первы ли подают управляющие импульсы на плечо 11 и гасящий вентиль 19 второго вентильного преобразователя, затем также через полупериод частоты собственных колебаний тока в конденсаторе 5 подают управляющий импульс на гдавный вентиль 14 первого вентильного преобразователя, à r6шение тока в траснформаторе 3 производят аналогично, но уже с подачей управляющего импульса на гасящий вентиль 15.

На фиг.6 показан вариант принципиальной силовой схемы, где вентильный преобразователь 1 выполнен по мостовой схеме с четырьмя плечами 6-9 выполненными так же, как и в предыдущем варианте (см,фиг.4). Вептильный преобразователь

2 выполнен по — прежнему с четырьмя плечами 10-13, из которых плечи 1 1 и 12 выполнены в виде неуправляемых электрических вентилей, плечо 13 — в виде управляемого электрического вентиля, плечо 10 является полностью управляемым и состоит из главного вентиля

24, гасящего вентиля 25, вспомогательного вентиля 26, коммутирующего дросселя 27 и коммутирующего конденсатора

28. Гасящие вентили 1 5 и 25 в это.: варианте подключены к различным концам вторичной обмотки 4 трансформатора 3.

Соответственно фиг.6 на фиг.7 показана кривая напряжения вторичной обмотки 4 трансформатора 3 и моменты подачи управляющих импульсов на вентили 8, 14, 15 вентильного преобразователя 1 и на цепь 13,24,25 вентильного преобразователя 2 в оба полупериода питающего напряжения, с целью регулирования выходи

ro напряжения, а следовательно, и скорости электроподвижного состава,.момент подачи первых из указанных управляющих импульсов на главные и гасящие вентили в пределах каждого полупериода питающего напряжения смещает по фазе, т.е. изменяют угол о (см.фиг.7).

Для осуществления инверторного режИма работы преобразователя при рекуйеративном торможении электроподвижного состава все вентили должны быть упраиляеФор;lула из обретен ия

1. Способ управления вептильными преобразователями электроподвиичого состава переменного тока., питающимися or трансформатора, параллельно вторйчцой обмотке которогo подключен конденсатор, 0 заключающийся в подаче регулируемьж по фазе управляющих импульсов на главные и гасящие управляемые электрические. вентили, отличающийся тем,, что, с целью повышения т хнико-экономических и тягово-энергетических показатео лей электроподвижного состава и системы энергоснабжения, подают первоначально регулируемые Go фазе управляющие импульсы на главные вентили одного преобразо50 вателя и в момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на главные вентили другого преобразователя, затем во второй

55 лоловине данного полупериода питающего напряжения подают управляющие импульсы

1 5156 мыми, а управление пвоизводят аналогичНо режиму выпрямлепия. В таком полностью управлчемом преобразователе вспомогательные цепи для гашения тока B главных вентилях могут быть установлены в

5 любых плечах вентильных преобразователей и в любом количестве.

Предлагаемый способ управления позво ляет устранить короткое замыкание обмотки трансформатора при использова10 нии коротких по длительности импульсов управления вентилями, уменьшить индуктивное падение напряжения и увеличить выпрямленное напряжение, существенно повысить коэффициент мощности ЗПС, снизить потери напряжения в тяговой сети и уменьшить мешающее воздействие тяговой сети на линии связи, а такие путем применения коротких управляющих импульсов снизить мощность, габариты

20 и вес системы управления вентилями преобразователя. Способ осуществлен на мощном лабораторном стенде, включающем в себя основное силовое электрооборудоВаНВе электроподви>нного состава перемен25 ного тока — тяговый трансформатор OUP

1000-25, тяговые электродвигатели

УРТ 110, сглаживающие реакторы СРЯОО и вентильный преобразователь, схема ко торого в процессе опытов выполнялась

30 в различных вариантах по типу известных несимметричных и симметричных иолууправляемых и управляемых мостовых схем.

74 12 ,на гасящие вентили одного из преобразователей и в момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на гасящие вентили второго преобразователя, а в следующем полупериоде питающего напряжения очередность работы преобразователей меняют.

2. Способ по п.l, о т л и ч а ю щ ий с, я тем, что, с целью снижения потерь напряжения в тяговой сети на конечной стадии регулирования при полном напря.жении на тяговых электродвигателях при уменьшении фазы первоначального управАяющего импульса до минимальной величины, подают упарвляющие импульсы на главные вентили также других преобразователей, затем при достижении током вторичной обмотки трансформатора величины тока нагрузки одного преобразователя подают управляющие импульсы на гасящие вентили одного преобразователя и в момент достижения током во вторичной обмотке трансформатора величины, равной общему току нагрузки всех преобразователей, подают управляющие импульсы на глав« ные вентили указанных преобразователей.

3. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что на конечной стадии регулирования, после того, как вследствие подачи первоначальных управляющих импульсов на главные вентили одного преобразователя минимальное напряжение на конденсаторе уменьшают до нуля, подают управляющие импульсы На противофазные гасящие вентили одного из преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили.

4, Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения коэффициента мошности путем устранения короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора в процессе коммутации главных вентилей преобразователей и уменьшения минимальной фазы первоначальных управляющих импульсов, одновременно с первоначальными управляющими импульсами на главные вентили одного преобразователя подают уйравляющие импульсы, на противофазные гасящие вентили одного из преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили, и затем в момент появления амплитуды первого полупериода час тоты собственных колебаний Фока конден1 сатора подают управляющие импульсы на главные вентили другого преобразователя.