Способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава переменного тока

(51) М. Кл.з В 60 1. 9/12 Н 02 Р 13/18 Государственный комитет СССР Опубликовано 30.08.82. Бюллетень32Дата опубликования описания 05.09.82(53) УДК 62.337. .41:3.077.65 (088.8) ло делам изобретений н открытий(72) Авторы изобретения Ордена Трудового Красного Знамени всесоюзный научноисследовательский институт железнодорожного транспорта(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА1Изобретение относится к способам управления прессами преобразования энергии посредством импульсных устройств, преимушественно в режимах тяги и рекуперативного торможения электроподвижного состава переменного тока.5Известен способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава (ЭПС) переменного тока, содержашего однофазные вентильные мосты, к каждому из которых подключена одинаковая по 1 О структуре нагрузка, закЗ 1 ючаюШийся в том, что в каждом полупериоде питаюшего напряжения подают регулируемые по фазе управляющие импульсы на главные вентили преобразователя, а во второй половине данного полупериода - на гасяшие вентили5 преобразователя 11.Недостатком известного способа явля ется необходимость разделения вентильного преобразователя ЭПС на две одинаковые по своей структуре части, например на два вентильных моста, питающих равные по величине нагрузки. В условиях эксплуатации такого ЭПС не исключена возможность вынужденных режимов его работы в аварийных ситуациях, например при повреждении вентилей одного из мостов или одного из двигателей, в результате чего в преобразователе может оказаться нечетное число мостов или нагрузок. Это может привести к усилению колебаний переходного тока в конденсаторе и обмотке трансформатора и повышенному искажению формы тока в тяговой сети, а следовательно, усилению мешающего воздействия тяговой сети на линии связи.Цель изобретения - повышение надежности работы электроподвижного состава.Поставленная цель достигается тем, что непрерывно измеряют длительность полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе и подают регулируемые по фазе управляющие импульсы поочередно на главные вентили мостов с интервалом между импульсами, подаваемыми на первый и второй мосты, и импульсами, подаваемыми на предпоследний и последний мосты, равным 2/3 длительности полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе и между импульсами, подаваемыми на промежуточные мосты, равным 1/3 длительности полупериода указанной частоты, а подачу регулируемых по фазе управляющих импульсов во второй половине полупериода питающего напряже 95427010 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ния осуществляют также поочередно на гасящие вентили каждого из мостов с интервалом между импульсами, подаваемыми на гасящие вентили первого и второго моста и навентили предпоследнего и последнего, равным 2/3 длительности полупериода частотысобственных колебаний тока в конденсатореи между импульсами, подаваемыми на гасящие вентили промежуточных мостов, равными 1/3 длительности полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе.На фиг. 1 показана упрощенная силоваясхема электроподвижного состава переменного тока; на фиг. 2 - временные диаграммы.напряжений и токов, а также диаграммауправления вентилями преобразователя впроцессе регулирования скорости электроподвижного состава.Упрощенная силовая схема электроподвижного состава переменного тока содержитпитающий однофазный трансформатор 1, ковторичной обмотке которого параллельноподключен конденсатор 2 и несколько (вданном примере три) полууправляемых несимметричных вентильных мостов 3, 4 и 5,содержащих полностью управляемые плечи6 - 11, выполненные по любой известной схеме, неуправляемые плечи 12 - 17, Мосты 3 -5 нагружены на цепи, содержащие тяговыеэлектродвигатели 18 - 20 и сглаживающиереакторы (не указаны).Предлагаемый способ управления можетбыть реализован при различных схемах вентильных мостов, например в,полууправляемых несимметричных и симметричных, в полностью управляемых, Запирающие (гасящие) устройства в тех и других схемах могутбыть индивидуальными или общими для нескольких плеч моста. При этом в схемах полностью управляемых мостов импульсные ключи могут быть установлены в любых двухпротивофазных плечах моста, а два другихплеча могут быть выполнены на неуправляемых вентилях, если предусматривается только режим выпрямления, или на управляемых,если предусматривается также и режим инвертирования,Технологические операции при управлении и регулировании по предлагаемому способу описаны ниже применительно к схемевентильного преобразователя, показанногона фиг. 1. Процессы в силовой схеме рассмотрены в режиме выпрямления при допущении,что выпрямленный ток в цепи каждого моста идеально сглажен и равен 1/3 части отобщего выпрямленного тока 1 д преобразователя (или в общем случае при и мостах)равен 1/и 1 д, а принужденный емкостной ток в конденсаторе 2 и вторичной обмотке трансформатора 1, составляющей обычнонезначительную часть от тока Ы, равен нулю.Подачу первоначальных управляющихимпульсов на главные вентили плеча одного из мостов производят в начале полупериода питающего напряжения или с задержкой на регулируемый угол а (фиг. 2) при регулировании выходного напряжения преобразователя. До момента подачи первоначальных импульсов управления (, (где (1-(и моменты подачи импульсов на вентили, фиг. 2), в течение угла фазового регулирования а токи тяговых двигателей, поддерживаемые ЭДС самоиндукции сглаживающих реакторов и равные по/31 д, замыкаются через плечи 12 - 17 соответствующих мостов 3, 4 и 5 преобразователя. В момент (1 подают управляющие импульсы на главные вентили управляемого плеча (в соответствии с полярностью питающего напряжения) одного из мостов преобразователя, например плеча 6 моста 3. При этом, поскольку трансформатор обладает индуктивным сопротивлением, выпрямленный ток двигателей 18, равный 1/3 1 д, замыкается через конденсатор 2 и начинается его разряд. По мере разряда кон. денсатора 2 токв трансформаторе 1 нарастает. К моменту времени, отстоящему от момента на интервал равный по длительности двум третьим частям полупериода частоты колебаний переходного тока в конденсаторе 2, токдостигает половины тока 1 д, а токконденсатора приобретает зарядное для конденсатора направление и достигает в этом направлении величины 1/6 1 д. В этот момент 12 подают управляющие импульсы на главные вентили полностью управляемого плеча другого (любого) моста, например плеча 9 моста 4, и выпрямленный ток /3 д двигателей 19 устремляется во вторичную обмотку трансформатора 1 и конденсатор 2, разряжая при этом конденсатор 2 и плавно увеличивая ток в трансформаторе 1.Через цикл времени, равный по длительности указанному ранее интервалу между моментами (1 и (2, ток т во вторичной обмотке трансформатора 1 достигает величины 11, т.е, полного тока нагрузки преобразователя, ток конденсатора 2 достигает значения 1/3 1 д, а напряжение 0 на конденсаторе нарастает до мгновенного значения питаюшего напряжения. В этот момент ( подают управляющие импульсы на главные венти.ли следуюшего моста, например плеча 10 моста 5, в результате чего ток двигателей 20, равный также 1/3 д, замыкается через вторичную обмотку трансформатора 1, а ток 1, в конденсаторе 2 скачком падает до нуля. Далее во второй части данного полупериода питающего напряжения уменьшение тока трансформатора 1 до нуля еше в пределах данного полупериода питающего напряжения производят поочередным гашением главных вентилей в управляемых плечах мостов преобразователя.Так, например, в регулируемый по фазе момент времени ( подают первоначально управляющие импульсы на гасящие вентили плеча 6 моста 3 и в результате запира. ния главных вентилей этого плеча и анало(в и( плавного нарастания тока в трансгичного описанному выше электромагнитного процесса переключают ток двигателей 18 в цепь вентильных плеч 12 и 13 этого моста, Затем (также поочередно) черезодинаковые циклы времени, равные по длительности двум третьим частям полупериода частоты колебаний тока в конденсаторе соответственно (в моменты (; и т 4, подают управляющие импульсы на гасящие вентили управляемых плеч других мостов, например плеча 8 моста 4, переключая тем самым ток двигателей 9 в плечи 14 и 15 этого моста, а потом плеча 1 О моста 5, переключая ток двигателей 20 в плечи 16 и 17 этого моста.В результате такого поочередного равноциклического управления процессом коммутации ток в трансформаторе 1 спадает до нуля еше до перехода кривой питающего напряжения через нуль,-а в течение угла регулирования а в следующем полупериоде изменения питающего напряжения этот ток остается равным нулю. Далее описанную последовательность технологических операций повторяют для противофазных плеч в мостах преобразователя, добиваясь поочередным отпиранием форматоре, а поочередным гашением вентилей в этих плечах в моменты (, (, 1 О плавного спада этого тока в пределах уже этого полупериода питающего напряжения. Причем для цепей равномерного распределениявыпрямленного тока между отдельными цепями двигателей очередность работы мостов в разных полупериодах питающего напряжения может быть произвольно измененакак при управлении процессом нарастаниятока в начале каждого полупериода, таки процессом гашения тока в конце каждогополупериода питающего напряжения.В рассмотренном примере схемы преобразователь разделен на три отдельных моста. В этом случае общая длительность коммутации тока в трансформаторе как в процессе нарастания, так и в процессе гашения составляет каждый раз по два одинаковых и равных интервала, заключенных между моментами подачи управляющих импульсов2з 2 (5 (4 = 16 - (5 = ВТ/Зк,где- полупериод изменения питающегонапряжения;к - отношение частоты собственных колебаний тока конденсатора к частоте питающей сети.Общая длительность коммутации принарастании тока6 = (12- (1) + (1 з- = (2/3+2/3) /к == 4 й/к зо 35 4 О 45 50 55 Как видно из диаграммы (фиг. 2), в случае рассмотренного примера при трех мостах кривая тока )т трансформатора состоит из двух частей полусинусоид переходных колебательных токов конденсатора, сдвинутых между собой на %/Зк и сопряженных между собой в точке 2 Х/Зк.Исследования показали, что наиболее эффективным является сопряжение кривых в моменты изменения полусинусоид, соответствующие точкам 2 Б/Зк и первой Ю/Зк каждой из последующих кривых, Г 1 ри отпирании и гашении вентилей в плечах мостов в эти моменты достигается наиболее плавная форма первичного тока и особенно при большом количестве мостов в преобразователе,В общем случае, когда преобразователь содержит п мостов, коммутация растягивается на (и) интервалов, а ее длительность определяется зависимостью Из приведенного выражения видно, что если при двух мостах (п = 2) коммутация осуществляется за один цикл длительностью Ть/к, т.е, равной одному полупериоду частоты колебаний тока в кнденсаторе, то уже при трех мостах за два цикла, т.е. 6 = (2/3+2/3) %/к =, 4 /Зк,при четырех - за три цикла, т,е. 6 = (2/3+1/3+2/3) Х/к = 5 Х/Зк,при пяти - за четыре цикла, т.е. 6 = (2/3+1/3+ 1/3+2/3) /к = 2 Х/к и т.д. В общем случае при мостах будет (п - 1) циклов, из которых первый и последний одинаковы и равны каждый по 2 Х/Зк, а все промежуточные между первым и последним также одинаковы между собой и равны каждой по /Зк.Такая равноциклическая коммутация позволяет наряду с улучшением формы тока тяговой сети уменьшить величину емкости конденсатора по сравнению с одноцикловой, которая достигается в схемах преобразователей, разделенных на две части, Так, например, если в схеме преобразователя с одноцикловой коммутацией, т.е. при п = 2, требуется емкость С, то при трех мостах (и = 3) для обеспечения той же длительности коммутации требуется уже в 1.77 раза меньше, а при пяти мостах в 4 раза меньше.Кроме обеспечения работы вентильных преобразователей в нормальных режимах эксплуатации ЭПС переменного тока, предлагаемый способ равноциклической коммутации может быть использован в случае частичного повреждения электрооборудования ЭПС (неисправности отдельных тяговых954270 формула изобретения иг. электродвигателей или мостов преобразователя).Например, на электровозе, преобразователь которого состоит из четырех мостов, предлагаемый способ позволяет обеспечить или как два одинаковых преобразователя (по два моста в каждом) с одноцикловой коммутацией, или как единый преобразователь с равноциклической поочередной коммутацией четырех мостов, а при неисправности одного из двигателей или одного моста возможна работа трех мостов и групп двигателей при равноцикловой коммутации, При этом циклический способ управления обеспечивает более плавные процессы нарастания и гашения тока в трансформаторе, что улучшает форму тока в тяговой сети, а следовательно, уменьшает ее мешающее воздействие на линии связи,В связи с многоцикличностью процессов коммутации повышается рабочая частота конденсатора, что позволяет уменьшить его весовые и габаритные показатели, а возможность обеспечения работы ЭПС при частичном повреждении электрооборудования позволяет повысить надежность работы ЭПС и тяговой сети в вынужденных режимах эксплуатации. Способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава переменного тока, содержащего однофазные вентильные мосты, к каждому из которых подключена одинаковая по структуре нагрузка, заключающийся в том, что в каждом полупериоде питающего напряжения подают регулируемые по фазе управляющие импульсы на главные вентили преобразователя, а во второй половине данного полупериода - на гасящие вентили преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, непрерывно измеряют длительность полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе и подают регулируемые по фазе управляющие импульсы поочередно на главные вентили мостов с интер О работу электровоза в нормальных режимах валом между импульсами, подаваемыми на первый и второй мосты, и импульсами, подаваемыми на предпоследний и последний мосты, равными 2/3 длительности 15 полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе, и между импульсами, подаваемыми на промежуточные мосты, равным 1/3 длительности полупериода указанной частоты, а подачу регулируемых по фазе управляющих импульсов во второй половине полупериода питающего напряжения осуществляют также поочередно на гасящие вентили каждого из мостов с интервалом между импульсами, подаваемыми на гасящие вентили первого и второ го моста и на вентили предпоследнего и по следнего, равным 2/3 длительности полупериода частоты собственных колебаний тока в конденсаторе, и между импульсами, подаваемыми на гасящие вентили промежуточных мостов, - равными 1/3 длительности полупериода собственных колебаний тока в конденсаторе.Источники информацн ., принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР515674, кл. В 60 1. 9/12, 1974, 35954270 ОЪг 2 Н. Безродн9/14ВНИИП Огар Редакт Заказ 6 113035,илиал ППСоставитель Л. Резниковая Техред А. Бойкас КорректорТираж 718 ПодписноеИ Государственного комитета СССРделам изобретений и открытииосква, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4