Способ управления вентальными преобразователями электроподвижного состава переменного тока

ОП ИСАНИЕ 515674ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советск неСоциалистическиеРеспублик(51)М, Кл,В 601 9/12 Н 02 М 7/155 Н 02 Р 13/18 Государственный комитет до делам изобретеинй н открытий(53) УИК 621.337, ,41:3,077,65 (088.8) Опубликовано 07.10,80, Бюллетень Лв 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(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНСГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННСГО ТОКА 1Изобретение 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 конденсатор1 о путем подачи регулируемых по фазе управляющих импульсов на главные и гасящие управляемые электрические вентили.15Применение 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 2требует применения коммутирующих конденсаторов большой емкости, размеры и 1вес которых неприемлемы ддя установки на электроподвижном составе. Поэтому известный способ не обеспечивает повььшение техникоэкономических и тягово энергетических показателей электроподвижного состава и системы энергоснабже ния в целом.ФС целью повышения технико.акономических и тяговонергетических показате дей 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 30 20 25 30 35 40 45 50 55 3 51 вателей и в момент появленич амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на гасящие вентили второго преобразователя, а ь следующем нолупериоде питающего напряжения очередность работы преобразователей меняют.Ддя снижения потерь напряжения в тяговой сети на конечной стадии регулирования при полном напряжении на тяговых электродвигателях при уменьшении Фазы первоначального управляющего импульса до минимальной величины можно подать управляющие импульсы на главные вентили также других преобразователейУ 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 нуляподают управляющие импульсы на противофазные гасящие вентили одного из преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили.Для 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 принципиалыая блоч- иая еиповая схема двух подууправдяемых симметричных вентидьных преобразо,вателей на фиг,2- временные диаграммы аапряжений и токов в процессе регудир вания напряжений; на фиг,З - то же, на конечной стадии регулирования на фиг.4- принципиальная силовая схема двух полууп равдяемых 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 вентидьных преобразователей с подключением гасящего вентиля одного вентидьнс- 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:ь из управляемых и неуправляемых электрических вентилей,Вентильный преобразователь 1 содержит два полностью управляемых плечаб и 7, каждое из которых состоит, в своюочередь, из главного и гасящего электрического вентиля, а также вспомогательного вентиля, коммутирующего дросселяи коммутирующего конденсатора, В принципе полностью управляемое плечо вентильного преобразователя может быть выполнено по любой известной схеме,Два других плеча 8 и 9 вентильногопреобразователя 1 выполненыв виде неуправляемых электрических вентилей хотяпринципиально возможно их выполнениев виде управляемых электрических вентидей или же в виде полностью управляемого плеча подобно плечам б и 7. Вентильный преобразователь 2 (см.фиг.1) подобен преобразователю 1 и содержит полностью управляемые плечи 10 и 11 неуправляемые плечи 12 и 13,При угле Фазового регулирования о(см,фиг,2) в полупериод питающего напря.жения сети О=Ью шЪ ГАИЦ" амплитуда вторичного напряжения трансформатора 3, соответствующаяполярности напряжения, отмеченной нафиг.1 стрелкой и знаками + "-" на конденсаторе 5, до мемента времени т то515674 5ки тяговых двигателей, поддерживаемые ЭДС самоиндукции сглаживающих реакторов замыкаются через плечи 78 вентиль ного преобразователя 1 и плечи 11,12 вентильного преобразователя 2. В цепи вторичной обмотки 4 трансформатора 3 и конденсатора 5 протекает емкостной ток"2 соЬ ММ, где- амплитуда принужденного емкостного тока, На фиг.2 обозначено также на О пряжение Ос на конденсаторе 5. Для упрощения процессы в силовой схеме описаны при допущении, что выпрямленный ток двигателя Дс/, идеально сглажен 1 д 2 =б/2 = Ьоь 3 Ь15 В момент времени 11 открьвается полностью управляемое плечо одного из вентильных преобразователей, например плечо 6 преобразователя 1. При этом, поскольку трансформатор 3 обладает индуктивным сопротивлением, выпрямленный токгруппы тяговых двигателей, равный половине общего тока с, замыкается черезконденсатор 5, и начинается его разряд.По мере разряда емкости конденсатора 5нарастает токв трансформаторе 3.К моменту времени Ь, отстоящему отмомента времени Ьна четверть периодаколебаний контура трансформатора 3 - кон денсатор 5 с некоторой собственной угловой частотой весь ток - Ы открытог2вентильного преобразователя замыкаетсячерез трансформатор 3. Но в этот;,ментнапряжение на конденсаторе 5 г.т ми- з 5нимальную величину и под дейст.;,.ем ЗДС,трансформатора 3, превышающей па:,ряжение на конденсаторе 5, начинается зарядпоследнего, и процесс роста тока в трансформаторе продолжается, причем все более 10замедленно, Если не учитьвать затуханияколебательного процесса из-аа наличияактивных сопротивлений, то к моменту времени Ь , соответствующему полупериодуколебат"льного процесса, прирост тока вовторичной обмотке 4 трансформатора 3 достигает полной величины 3 . Для моментавременихарактерно появление амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора 5,В этот момент зарядный ток конденсаторадостигает1 й (точнееДЫ+ Л 1 "ь соо Ы оар, оярьтаееся йоаяосеью оравляемое плечо 10 второго вентильногопреобразователя 2 и ток второй группытяговых двигателей замыкается через вторичную обмотку 4 трансформатора, тогдакак зарядный ток через конденсатор 5 прекращается,6На конечной стадии регулирования, после того как вследствие подачи первоначальных управляющих импульсов на главные вентили 6 (см,фиг.1) одного преобразователя минимальное напряжение на конденсаторе 5 уменьшается до нуля (см.фиг.3)подают управляющие импульсы на противофазные гасящие вентили плеча одного извентильных преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент тока главные вентили, например в плече 10, обеспечивая тем самым дальнейший рост тока Ь- во вторичной обмотке 4 трансформатора 3.Для 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 О =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.1) а затем в момент появления амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора 5 подают управляющие импульсы на главные вентили в плече 10,Для гашения тока в трансформаторе 3 в конце полупериода питающего напряжения осуществляется обратный процесс. В момент времени 14 закрывается полностью управляемое плечо 1 О вентильного преобразователя 2, Выпрямленный ток второй группы тяговых двигателей замыкается через плечи 11 и 12 вентильного преобразователя 2, а половина тока 1 с 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 конденсаторе 5. Через четверть периода колебательного процесса в конденсаторе 5 ток падает до нуля, а во вторичной обмотке 4 трансформатора 3 до " ДО 12В момент временинапряжение на конденсаторе 5 достигает максимальной величины и, поскольку оно превышает ЗДС 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 вентиль 35 ного преобразователя, в конце коммутации. ток в трансформаторе достигает величины выпрямленного тока Лс 1 и приращение этого тока во времени С/СВв момент времени отпирания второго вентильного преобразователя будет равна нулю или при пульсирующем токе величине дфвыпрямленного тока, после отпирания второго вентильного преобразователя.Дальнейшее усовершенствование пред 45 лагаемого способа помимо указанного положительного эффекта позволяет также применить на электроподвижном составе более простую силовую схему, а именно вместо четырех полностью управляемых50 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.фигА), из которых плечи 6 и 9 выполнены в виде неуправляемых электрических вентилей, плечо 8 - в виде 7 51. 56 начинается разряд, В конце полупериода 1питающего напряжения колебательного процесса - момент времени 1, конденсатор 5 разряжается, ток в трансформаторе 3 падает почти до нуля (точнее до 3 СОЬМ) к Ъ ), а выпрямленный ток первой группы тяговых двигателей замыкается через конденсатор 5. В момент времени 1 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 прекращается. 1Такой 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 полупериода 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 высших гармоник тока в тяговой сети и снижение мешающего влияния тягового то 74 8управляемого электрического вентиля, плечо 7 является полностью управляемым исостоит из главного вентиля 14, гасящеговентиля 15, вспомогательного вентиля 16,коммутирующего дросселя 17 и коммутирующего конденсатора 18. Вентильныйпреобразователь 2 выполнен по мостовойсхеме с четырьмя плечами 10-13, из которых плечи 10 и 13 выполнены в виденеуправляемых электрических вентилей,плечо 11 в виде управляемого электрического вентиля, плечо 12 является полностьюуправляемым и состоит из главного вентиля 19 гасящего вентиля 20, вспомогательного вентиля 21, коммутирующего дросселя22 и коммутирующего конденсатора 23.Гасящие вентили 15 и 20 подключены кодному (на фиг,5 - к левому) концу вторичной обмотки 4 трансформатора 3,управление и регулирование вентильныхпреобразователей 1 и 2 производят следую,щим образом. В соответствующие полупери-оды изменения питающего напряжения коммутирующие конденсаторы 18 и 23 заряжаются соответственно по цепям через17,16,15,6 и 22,21,9 от вторичной обмотки 4 трансформатора 3 и приобретают нанижних (см.фиг.4) обкладках положительныйпотенциал, До момента отпирания управляемых вентилей токи тяговых двигателейпервого и второго вентильных преобразователей протекают по цепи плеч соответственно 9,6 и 13,10 под действием ЗЯС, запасенной в индуктивностях сглаживающихреакторов и обмоток двигателей. В момент.перехода кривой питающего напряжения через нуль при реализации известных способов управления подают широкий по длительности управляющий импульс, например, наплечо 8 первого вентильного преобразователя 1. Поскольку обмотка 4 трансформатора 3 в этом случае оказывается закороченной плечами 8 и 9, то коммутация тока двигателей из цепи вентиля 9 в цепьвентиля 8 осуществляется под действиемтока короткого замыкания, а выпрямленноенапряжение при этом равно нулю,Для устранения короткого замыканиявторичной обметки 4 в процессе переключения тока из цепи плеча 9 в цепь плеча8 при использовании предлагаемого способа управления одновременно с подачей коротких цо длительности управляющих импульсов на управляемый вентиль 8 производят подачу управляющего импульса еще ина гасящий вентиль 15 противофазногоплеча этого же вентильного преобразователя 1 (см.фиг.5, момент времени), В этомслучае ток тяговых двигателей переклю С) 5156чается из цепи плеч 9,6 в цепь 8, 15,17,18 поп действием напряжения коммутирующего конденсатора 18. Далее в процессенарастания напряжения на вторичной обмотке 4 трансформатора 3 (плечо 9 уже5заперто) ток тяговых двигателей перемещается в цепь конденсатора 5 и вторичноиобмотки 4 трансформатора, а коммутирующий конденсатор 18 заряжается по цепи 6,16 и через дорссель 17 от вторичной обмотки 4 трансформатора 3. Приэтом ь обмотке трансформатора и конденсаторе 5 возникает колебательныйпроцесс 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 вредени 1 (см.фиг.5)/подают управляющий импульс на главныйвентиль 19 той же фазы, но уже другого вентильного преобразователя 2. Токтяговых двигателей переключается из цепи плеч 13,10 в цепь главного вентиля19, а в конденсаторе 5 ток скачкомспадает до величины принужденноготока, и колебательный процесс прекращается, При этом процесс переключения тока из цепи плеча 13 в цепь главноговентиля 19 не сопровождается короткимзамыканием так как к моменту подачиуправляющего импульса на главный вентиль 19 во вторичной обмотке 4 трансформатора 3 уже протекал суммарный токнагрузки вентильного преобразователя,а дальнейший его рост означал бы потерювентильных свойств плеч 13 или 9,Далее токи тяговых двигателей протекают по цепям соответственно 8,6 и 19,10 под действием ЭДС вторичной обмотки4 трансформатора 3. Коммутирующий конденсатор 18 продолжает заряжаться черезцепь 616 и дроссель 17, и напряжение45на нем достигает амплитуды напряжениявторичной обмотки 4 через четверть периода изменения питающего напряжения,В момент Ъ (см,фиг.5), опережающий следующую точку перехода кривой50питающего напряжения через нуль, т.е.еще в пределах данного полупериода, подают управляющий импульс на гасящийвентиль 19 (см.фиг.4) второго вентильного преобразователя, переключая тем самымток двигателей снова в цепи плеч 13 и10, а ток трансформатора в конденсатор5, Снова возникает колебательный ток вконденсаторе, в результате которого к концу цолуперпопа цитпец 1;.го напряжения ток в трансформатор и копь.цсаторе 5 спадает до величины принужденного тока, а токи тяговых двигателей снова замыкаотся по цепям плеч соответственно 13, 10 и 9,6.Для обеспечения симметрии в нагрузке двигателей по полупериодам очередность работы вентильных преобразователей в следующем полупериоде изменяют на обратную. Здесь (см,фиг.5) первыми 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, а гашение 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 - пременему с четырьмя плечад 1 и 10-13, из которых плечи 11 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 15 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 выходя го напряжения, а следовательно, и скорости электроподвижного составамомент 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 режИ- ма работы преобразователя при рекуйеративном торможении электроподвижного состава все вентили должны быть упраиляеФ ор мула изобретения35 1. Способ управления вептильными преобразователями электроподвижчого состава переменного токапитяощимися от трансформатора, параллельно вторйчцой Обмотке которого подкдгочен конденсатор, 0 заключающийся в подаче регулируемых по фазе управляющих импульсов на главные и гасящие управляемые электрические, вентили, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения технико-экономических и тягово-энергетических показатеодей электроподвижного состава и системы энергоснабжения, подают первоначально регулируемые по фазе управляющие импульсы на главные вентили одного преобразо 50 вателя и в момент появлещи амплитуды первого полупериода частоты собственных колебаний тока конденсатора подают управляющие импульсы на главные вентили другого преобразователя, затем во второй55 1 одовине данного полупериода питающего напряжения подают управляющие импул,.сы 5156мыми, а управление пвоизводят аналогично режиму вьпрямлепия. В таком полностью управлчемом преобразователе вспомогательные цепи ддя гашения тока в главных вентилях могут быть установлены в5любых плечах вентидьных преобразователейи в любом количестве,Предлагаемый способ управления позволяет устранить короткое замыкание обмотки трансформатора при исподьзова 10нии коротких по длительности импудьсоауправления вентилями, уменьшить индуктивное падение напряжения и увеличитьвыпрямленное напряжение, существенноповысить коэффициент мощности ЗПС,снизить потери напряжения а тяговой сети и уменьшить мешающее воздействиетяговой сети на линии связи, а такжепутем применения коротких управляющихимпульсов снизить мощность, габариты20и вес системы управления вентилями преобразователя, Способ осуществлен на мощном лабораторном стенде, включающемв себя основное силовое электрооборудование электроподвинного состава перемен 25ного тока - тяговый трансформатор ОЦР1000-25, тяговые электродвигателиУРТ 1 10, сглаживающие реакторы СР 800и вентильный преобразователь, схема которого в процессе опытов выполнялась30в различных вариантах по типу известныхнесимметричных и симметричных sолуупрааляемых 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.1, о т д и ч а ю щ ий с,я тем, что, с целью снижения потерь напряжения а тяговой сети на конечной стадии регулирования при полном напря.жении на тяговых электродвигателях при уменьшении фазы первоначального управАяющего импульса до минимальной величины , подают упарвдяющие 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. Спосоо по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что на конечной стадиирегулирования, после того, как вследствиеподачи первоначальных управляющих импульсов на главные вентили одного преобразователя минимальное напряжение наконденсаторе уменьшают до нуля, подаютуправляющие импульсы на противофазныегасящие вентили одного из преобразователей, которым соответствуют не проводящиев этот момент тока главные вентили.4, Способ по п.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения коэффициента мошности путем устранения короткого замыкания вторичной обмоткитрансформатора в процессе коммутации главных вентилей преобразователей и уменьшения минимальной фазы первоначальных управляющих импульсов, одновременно с первоначальными управляющими импульсами на гдавные вентили одного преобразователя подают уйравпяющие импульсы, на противофазные гасящие вентили одногоиз преобразователей, которым соответствуют не проводящие в этот момент токаглавные вентили, и затем в момент появления амплитуды первого полупериода час.тоты собственных колебаний тока конден 1сатора подают управляющие импульсы наглавные вентили другого преобразователя.