Устройство автоматического регулирования напряжения для выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций

СОВ ЕТСНИХсамвлюееснии 691 0 И а) Н 02 Р 13/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТЧРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ 1 ф.1)ИЗИД НЛЬТЕК 4и ВУ(71) Уральский электромеханический институт инженеров железнодорожного транспорта(56) 1, Авторское свидетельство СССР В 277077, кл. Н 02 Р 13/06, 1968.2. Авторское свидетельство СССР Иф 838668, кл. Н 02 Р 13/16, 1979.3. Авторское свидетельство СССР У 913554, кл. Н 02 Р 13/16, 1980,(54)(57) УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГОРЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ, содержащее трансФорматор с секционированной обмоткой,два управляемых реактора, первый иэкоторых соединен с крайним выводомобмотки трансформатора, а второй -с ее отводом, задающий блок, два блока сравнения, первый из которых связан с управляющими цепями первого,а второй - второго реактора, датчикугла сдвига Фаз тока и напряжения,подключенный к одному из входов первого блока сравнения, и датчик выпрямленного напряжения, подключенньйк одному из входов второго блока сравнения, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью расширения Функциональных возможностей н повьвення надежности рекуперативного торможения,устройство снаб:кено токовым корректирующим блоком, корректирующим блоком по переменному напряжению, датчиком тока, датчиком напряжения питающей сети, датчиком прерывистого тока, включенный в катодную цепь инвертора, логическим переключающим блоком, логической схемой ИЛИ, логической схемой НЕ, двумя пороговыми элементами, двумя блоками импульсноФаэового управления, причем к первому входу токового корректирующего блока подключен выход датчика токаи к первому входу корректирующего блока по переменному напряжению- выход датчика напряжения питающей сети, два других входа корректирую" щих блоков связаны с выходом задающего блока, выход токового корректирую- В щего. блока соединен с другим входомвторого блока сравнения, а выход корректирующего блока по переменному напряжению соединен с другим входом первого блока сравнения, кроме того, Е выход датчика тока подключен через первый пороговый элемент к одному из входов логической схемы ИЛИ, ко второму входу логической схемы ИЛИ через второй пороговый элемент и логическую схему НЕ подключен выход датчика выпрямленного напряжения, а выход логической схемы ИЛИ подключен к одному из входов логического переключающего блока, к другому входу которого подключен выход датчика прерывистого тока интвертора, первый выход логического переключающего бло фр ка соединен с входом задающего блока, а второй и третий выходы соединены с блоками импульсно-фазового управления соответственно инвер и выпрямителя, при этом логическийпереключающий блок состоит из триггера, входы которого являются входамиэтого блока, логической схемы НЕ идвух линий задержки, причем выходтриггера, являющийся первым выходомлогического переключающего блока,одновременно подключен к линиям за 1108603держкн - к одной непосредственно, а к другой через логическую схему НЕ, выход первой иэ них является третьим, а выход второй - вторым выходом логического переключающего блока1Изобретение относится к регулированию напряжения и может быть использовано на выпрямительно-инверторныхпреобразователях тяговых подстанциймагистральных железных дорог с избыточной энергией рекуперации.Известно устройство, реализующееспособ регулирования напряжения натяговых подстанциях, при котором осуществляется стабилизация напряжения 1 Она различных требуемых уровнях в зависимости от конкретной поездной ситуации на межподстанционной зоне 1.13.Однако данное устройство не можетбыть применено при регулировании напряжения на участках электрических железных дорог с рекуперативным торможением электроподвижного состава,так как при его использовании не выполняются требования, предъявляемые 20к системе электроснабжения для обеспечения надежного приема токов реку-перации, что вызвано наличием высокого напряжения на шинах подстанциипри сбросе тяговой нагрузки и труднос.уьтями в определении ситуаций в тяговойсети,Наиболее близким к изобретениюцо технической сущности является усфройство автоматического регулирования напряжения для выпрямительно-инверторных преобразователей тяговыхподстанций, содержащее трансформаторс секционированной обмоткой, двауправляемых реактора, первый из кото-З 5рых соединен с крайним выводом обмотки трансформатора, а второй - с ееотводом, задающий блок, два блокасравнения, первый из которых связанс управляющими цепями перрого, авторой - второго реактора, датчикугла сдвига фаэ тока и напряжения,подключенный к одному из входов первого блока сравнения, и датчик выпрямленного напряжения, подключенный к одному из входов второго блока сравнения 23Однако это устройство обладает недостаточными Функциональными возможностями, так как позволяет получить лишь стабилизированные на различных уровнях характеристики преобразователей и не может быть применено для регулирования напряжения на участках . с рекуперативным торможением электроподвижного состава в связи с тем, что наличие высокого напряжения на шинах подстанции при сбросе тока нагрузки преобразователей приводит к уменьшению диапазона между допустимым напряжением на пантографе электровоза и напряжением в тяговой сети, при котором начинается рекуперация, а также к возникновению бросков тока и напряжения при переключениях преобразователей в соответствующие режимы работы и к появлению больших уравнительных токов между преобразователями.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение надежности рекуперативного торможения на участках электрических железных дорог с автоматическим регулированием напряжения на тяговых подстанциях.Поставленная цель достигается тем, что известное устройство автоматического регулирования напряжения для выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций дополнительно снабжено токовым корректирующим блоком, корректирующим блоком по переменному напряжению, датчиком тока, датчиком напряжения питающей сети, датчиком прерывистого тока, включенным в катод инвертора, логическим переключакицим блоком, логической схемой ИЛИ, логической схемой НЕ, двумя пороговыми элементами,двумя блоками импульсно-фазового управления, причем к первому входу токового корректирующего блока подключен выход датчика тока и к первому входу корректирующего блока по переменному напряжению - выход датчика напряжения питающей сети, два других входа корректирующих блоков связаны с выходом задающего блока,10 выход токового корректирующего блока соединен с другим входом второго блока сравнения, а выход корректирующего блока по переменному напряжению соединен с другим входом первого бло 15 ка сравнения, кроме того, выход датчика тока подключен через первый пороговый элемент к одному из входов логической схемы ИЛИ, ко второму входу логической схемы ИЛИ через второйч20 пороговыи элемент и логическую схему НЕ подключен выход датчика вылрямленного напряжения, а выход логической схемы ИЛИ подключен к одному из входов логического переключающего25 блока, к другому входу которого подключен выход датчика прерывистого тока инвертора, первый выход логического переключающего блока соединен с входом задающего блока, а второй и третий выходы соединены с блоками импульсно-фазового управления соответственно инвертора и выпрямителя, при этом логический переключающий блок состоит из триггера, входы которого являются входами этого блока, логической схемы НЕ и двух линий задержки, причем выход триггера, являющийся первым выходом логического переключающего блока, одновременно подключен к линиям задержки - к одной 4 О непосредственно, а к другой через логиче скую схему НЕ, выход первой из них является третьим, а выход вто рой - вторым выходом логического пе-. реключающего блока.45На фиг. 1 приведена блок-схема устройства автоматического регулирования напряжения для выпрямительноинверторного преобразователя, на фиг. 2 - внешние характеристики пре О образователя с регулированием напряжения, на фиг. За, б - временные диаграммы, поясняющие работу устройства при переходе преобраэрвателя, соответственно в инверторный и выпря мительный режим работы. но-инверторного преобразователя тяговой подстанции содержит преобразовательный трансформатор 1, вторичная обмотка которого соединена с входом трехфазного мостового выпрмяителя 2 и выходом мостового инвертора 3. Вход инвертора 3 через токоограничивающие 1 реакторы 4 и 5, а выход выпрямителя 2 непосредственно подключены к шинам постоянного тока подстанции, Управле" ние выпрямителем 3 и инвертором 3 производится блоками импульсно-фазового управления 6 и 7 соответственно. Первичная обмотка трансформатора 1 выполнена секционированной, к крайним выходам которой подключен трехфазный управляемый реактор 8, а к отводам - аналогичный реактор 9. Управляющие цепи первого 8 и второго 9 управляемых реакторов связаны с входами первого 10 и второго 11 бло-, ков сравнения, к одному иэ входов каждого иэ которых подключены выходы датчика 12 угла сдвига фаз тока и напряжения и датчика 13 выпрямленного напряжения соответственно. Устройство автоматического регулирования напряжения для выпрямительК первому входу токового корректирующего блока 14 подключен выход датчика тока 15 и к первому входу корректирующего блока 16 по переменному напряжению - выход датчика 17 напряжения питающей сети, Два других корректирующих блоков 14 и 16 связаны с выходом задающего блока 18. Выход токового корректирующего блока 14 соединен с другим входом второго блока сравнения 11, а выход корректирующего блока 16 по переменному напряжению - с другим входом перво го блока сравнения 10,Выход датчика тока 15 подключен через первый пороговый элемент 19 к одному из входов логической схемы ИЛИ 20, ко второму входу которой че рез последовательно соединенные логическую схему НЕ 21 и второй пороговый элемент 22 подключен выход датчика 13 выпрямленного напряженияВыход логической схемы ИЛИ 20 подключен к одному из входов логического переключающего блока 23, к другому входу которого подключен выход датчика 24 прерывистого тока, включенного в катод инвертора 3.Логический переключающий блок 23 выполнен на триггере 25, выход которого поступает на входы задающего блока 18 и первой линии задержки 26непосредственно и на вход второй линии задержки 27 через логическую схему НЕ 28. Выходы первой 26 и второй 27 линий задержки связаны соответственно с первым 6 и вторым 7 блоками 5 импульсно.фазового управления преобразователей.Устройство автоматического регулирования напряжения выпрямительно-инверторного преобразователя работает следующим образом.Регулирование производится двумя управляемымиреакторами 8 и 9 путем изменения их реактивного сопротивления, в результате которого происходит перераспределение первичного тока трансформатора 1 между отводами об" мотки, соединенньВ 4 и с,управляемыми реакторами. Изменение магнитного потока трансформатора вызывает соответст вующее изменение напряжения на его вторичных обмотках, подключенных к преобразователям, и позволяет осуществить получение требуемых внешних выходньж характеристик выпрямителя 04(3,1 Ь) и входных характеристик инвертора О, 1 (3,1,) (фиг. 2), где 0 - напряжение постояного тока, Э- ток выпрямителя 3 - ток инвертоф дира, 30Изменение реактивного сопротивле" ния реакторов производится управляющими сигналами, воздействующими на управляющие цепи реакторов 8 и 9 и35 поступающими с выходов соответствующих блоков сравнения 10 и 11. Сигналы управления с блоков сравнения фор" мируются в зависимости от величины рассогласования между задающими сиг 40 налами с корректирующих блоков 14 и 16 и сигналами соответствующих датчиков угла сдвига тока и напряжения 12 и выпрямленного напряжения 13.В инверторном режиме работы наибо" лее благоприятной характеристикой является горизонтальная характеристика 29, установленная на уровне напряжения 0,1, который обеспечивает допустимое напряжение на пантографе50 электровоза во всем диапазоне рабочих токов (фиг. 2). Такая характеристика достигается блоком импульсно-Фазового управления 7, а установка требуемого уровня стабилизации характеристики определяется задающим блоком и осуществляется управляемыми реакторами. Для поддержания более высоких энергетических показателей инвертора возможно компаундирование входной характеристики с учетом минимального возможного с точки зрения устойчивости угла опережения инвертора , а доведение до горизонтальной характеристики и обеспечение требуемого уровня производит система автоматического регулирования напряжения,В зоне между двумя крайними естественными характеристиками 30 и 31 устройство автоматического регулирования позволяет получить внешние характеристики вида 32 с линейным выходом со стабилизации при токах, меньших тока выхода на режим стабилиэации От на любом необходимом уровне 31 в пределах междус 7 ВЬххарактеристйками с минимальными 33 и максимальным 34 уровнями стабилизации (фиг. 2).Уровень стабилизации характеристик в выпрямительном режиме, также как и в инверторном, задается задающим блоком 18, сигналы которого через корректирующие блоки 14 и 16 поступают на схемы сравнения 11 и 10, Стабилизация напряжения осуществляется под действием управляющего сигнала со второго блока сравнения 11, формирующегося за счет рассогласования на его входе задающего сигнала с сигналом датчика выпрямленного нап- ряжения 13. При этом цепь управления реактором 8, состоящая из блока сравнения 10, датчика угла сдвига тока и напряжения 12, служит лишь для изменения реактивного сопротивления этого реактора с целью получения наибольших значений коэффициента мощности, это производится в зависимости от заданного уровня напряжения, что определяется поступающим через корректирующий блок 16 сигналом задающего блока 18. При получе-нии стабилизированных характеристик в диапазоне рабочих токов, больших 3 Вы, введение через токовый корректирующий блок 14 сигнала с датчика тока 15 позволяет производить уменьшение статической ошибки стабилизации при токах, близких к номинальному ЭаВЬПолучение выхода со стабипизированных характеристик в выпрямительном режиме осуществляется следующим образом. При сбросе тока нагрузкивыпрямителя до величины 3, , равд ВЫлной 3-53 номинального тока ЭИВЫ7 1108603 под действием сигнала с датчика тока 15 происходит резкое увеличение коэффициента усиления токового корректирующего блока 14 таким образом, что при . дальнейшем уменьшении тока до 5 нуля производится линейное (пропорциональное току) понижение выпрямленного преобразователя до уровняО, . Так как установка требуемыхуровней стабилизации в зависимости 10 от числа поездов на межподстанцион- н ной зоне производится дискретно, по б дискретно устанавливаемым сигналам -п задающего блока 18, то каждому уров- к ню стабилизации токовым корректирую к щим блоком 14 по сигналам задающего е блока 18 устанавливается свой, соот- м ветствующий этому уровню коэффициент усиления, необходимый для обеспече" и ния выхода внешней характеристики 20 р преобразователя на устанавливаемый ш уровень напряжения. Чтобы искаочить влияние колебаний25 напряжения в питающей сети на получение указанных характеристик, в устройство автоматического регулирования от датчика напряжения 17 через корректирующий блок 16 введена коррек 30 ция по напряжению питающей сети. Под действием сигнала с датчика переменного напряжения 17 корректирующий блок по переменному напряжению 16 производит изменение поступающего на его вход сигнала с задающего блока 18 таким образом, чтобы оно компенсировало влияние колебаний напряжения в питающей сети на стабильность заданных характеристик преобразователей.Переключение выпрямительно-инвер 40 торного преобразователя из одного ре жима работы в другой производится бесконтактно снятием и подачей импульсов управления блоками импульсно- фазового управления 6 и 7. Сигналы45 запрета на подачу и снятие импульсов управления формируются в логическом переключающем блоке 23 в зависимости от ситуации в тяговой сети и поступают с его выходов 35 и 36 в соответствующие блоки 6 и 7 ившульсно-Фазового управления. При этом для задания закона регулирования в соответствии с режимом работы в задающий блок 18 поступает сигнал с выхода 37 логичес кого переключающего блока 23. Сигнал логической единицы на этом выходе соответствует выпрямительному режиму,а сигнал логического нуля - инверторному (фиг, За, б),Переход выпрямительно-инверторного преобразователя из выпрямительного режима в инверторный (фиг. За)осуществляется по сигналам датчикатока 15 идатчика напряжения 13. Еслиток нагрузки выпрямителя больше токаустановки срабатывания Э , то дажепри стабилизации напряжения на урове,выше, чем напряжение уставки сраатывания 0, преобразователь неереводится в инверторный режим, такак в этом случае накладывается блоировка по току сигналом логическойдиницы на выходе 38 порогового элеента 19 через схему ИЛИ 20.При сбросе тока нагрузки нижероисходит уменьшение напряжения устойством регулирования, и при уменьении уровня напряжения ниже 0 вмомент 1 накладывается блокировка понапряжению и на выходе 39 порогового элемента 22 появляется сигнал логического нуля, который, инвертируясь через. логическую схему НЕ 21,поступает с ее выхода 40 в блок сравнения 20 (фиг. За). С дальнейшимуменьшением тока и напряжения придостижении током уставки Э снимается блокировка по току (сигнал логического нуля на выходе 38 пороговогоэлемента 19)в момент 1, . Последую-щее уменьшение тока до нуля приводитк понижению напряжения преобразова- .теля до уровня 0,1 , и наступаетрежим холостого хода выпрямителя. При появлении избыточной энергии рекуперации повышается уровень напряжения в контактной сети. Когда прй токе агрегата равном нулю напряжение в контактной сети возврастает до уровня 0, в.момент Ф, , снимается блокировка по напряжению (сигнал логического нуля на выходе 40 логической схемы НЕ 21), и на выходе 41 схемы ИЛИ 20 появляется сигнал логи ческого нуля, переключающий триггер 25 и дающий команду логическому переключающему блоку 23 на перевод агрегата в инверторный режим, При эток одновременно на выходах 35 и 37 появляются сигналы логической едины цы, которые без выдержки времени дают команду на снятие импульсов управления с выпрямителя в блок импульсно- фазового управления 6 и на перемагничивание управляемых реакторов вПереключение преобразователя из инверторного режима в выпрямительный (фиг. Зб) производится по сигналу датчика прерывистого тока инвер" тора 24, работа которого подробно описана 33. При достижении момента надежного запирания тиристоров инвертора в момент е окончания реку" перации (фиг. Зб) на выходе 42 датчика прерывистого тока 24 появляется сигнал логического нуля, который поступает на первый вход логического переключающего блока 23 и переключает триггер 25 в положение, соответ" 30 соответствии с законом регулированияннвертора в задающий блок 18, С выдержкой времени л 1 ( в момент 14 ),осуществляемой линией задержки 27,под действием сигнала с логической 5схемы НЕ 28 на выходе 36 переключающего блока 23 появляется сигнал ло-,гической единицы, под действием которого блок импульсно-фазового управления 7 подает импульсы управления на тиристоры инвертора.Уставки на переход агрегата в инверторньй режим выбираются иэ условия Э с эс, для порогового элемента19 и 00 - для элемента 22. 15ч деыДля достижения правильного и плавного переключения преобразователя необходимо добиваться наименьшей величины уставки Э , так как от неезависит величина напряжения линейной 20части вйешней характеристики 34 привыходе с максимально возможного уровня стабилизации 0,7 ц,ствующее выпрямительному режиму работы преобразователя. Под действием сигнала с выхода 36 блока 23 (сигнал логического нуля) блок импульсно-фазового управлений 7 снимает импульсы управления с тиристоров инвертора. Одновременно сигнал с выхода 37 логического переключающего, блока (сигнал логической единицы) переводит устройство автоматического регулирования на требуемый для выпрямительного режима работы преобразователя закон регулирования напряжения. С выдержкой времени д 1 е на перемагничивание управляемых реакторов, осуществляемой линией задержки 26, на выходе 35 блока 23 появляется сигнал логической единицы (в момент 1 ), под действием которого блоком импульсно-фазового управления 6 подаются импульсы управления на тиристоры выпрямителя,Использование изобретения позволяет обеспечить рекуперативное торможение электроподвижного состава и повысить его надежность на участках с регулированием напряжения в тяговой сети. При этом технико-экономическая эффективность достигается при увеличении экономии электроэнергии за счет повышения надежности работы выпрямительно-инверторного преобразователя и быстродействия при переходах из режима в режим, а также при ликвидации потерь электроэнергии за счет уменьшения уравнительных токов между преобразователями при регупировании напряжения и повышения точности определения ситуаций в тяговой сети.1108603Составитель 1 О,Андреев Редактор Т. Колб Техред Л, Иартяшова Корректор В, Бутяга Заказ 5883/43 Тираж 667 Подписное ВНИИХИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и отркытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4