Способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава переменного тока

Способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава переменного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< 954270

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительн;е к авт. свид-ву— (22) Заявлено 19.07.76 (21) 2385767/24-!1 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М. Кл.з

В 60 L 9/12

Н 02 P 13/18

Государственный комитет

СССР

Опубликовано 30.08.82. Бюллетень № 32

Дата опубликования описания 05.09.82 (53) УДК 621.337. .41:3.077.65 (088.8) ло делам изобретений и открытий

Б. Н. Тихменев, А. В. Каменев и 3. М. Рубчи скии (72) Авторы изобретения

Ордена Трудового Красного Знамени всесоюзный научноисследовательский институт железнодорожного транспорта (71) Заявитель (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО

СОСТАВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к способам управления прессами преобразования энергии посредством импульсных устройств, преимущественно в режимах тяги и рекуперативного торможения электроподвижного состава переменного тока.

Известен способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава (ЭПС) переменного тока, содержащего однофазные вентильные мосты, к каждому из которых подключена одинаковая по 10 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 5 преобразователя (1) .

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 напряже954270

15

55 ния осуществляют также поочередно на гасящие вентили каждого из мостов с интервалом между импульсами, подаваемыми на гасящие вентили первого и второго моста и на вентили предпоследнего и последнего, 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.

На фиг. 1 показана упрощенная силовая схема электроподвижного состава переменного тока; на фиг. 2 — временные диаграммы .напряжений и токов, а также диаграмма управления вентилями преобразователя в процессе регулирования скорости электроподвижного состава.

Упрощенная силовая схема электроподвижного состава переменного тока содержит питающий однофазный трансформатор 1, ко вторичной обмотке которого параллельно подключен конденсатор 2 и несколько (в данном примере три) полууправляемых несимметричных вентильных мостов 3, 4 и 5, содержащих полностью управляемые плечи

6 — 11, выполненные по любой известной схеме, неуправляемые плечи 12 — 17, Мосты 3—

5 нагружены на цепи, содержащие тяговые электродвигатели 18 — 20 и сглаживающие реакторы (не указаны).

Предлагаемый способ управления может быть реализован при различных схемах вентильных мостов, например в .полууправляемых несимметричных и симметричных, в полностью управляемых. Запирающие (гасящие) устройства в тех и других схемах могут быть индивидуальными или общими для нескольких плеч моста. При этом в схемах полностью управляемых мостов импульсные ключи могут быть установлены в любых двух противофазных плечах моста, а два других плеча 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 схеме вентильного преобразователя, показанного на фиг. l. Процессы в силовой схеме рассмотрены в режиме выпрямления при допущении, что выпрямленный ток в цепи каждого моста идеально сглажен и равен 1/3 части от общего выпрямленного тока 14 преобразователя (или в общем случае при и мостах) равен 1/и Id, а принужденный емкостной ток в конденсаторе 2 и вторичной обмотке трансформатора 1, составляющей обычно незначительную часть от тока Ы, равен нулю.

Подачу первоначальных управляющих импульсов на главные вентили плеча одного из мостов производят в начале полупериода питающего напряжения или с задержкой на регулируемый угол d (фиг. 2) при регулировании выходного напряжения преобразователя. До момента подачи первоначальных импульсов управления t, (где t,-(и моменты подачи импульсов на вентили, фиг. 2), в течение угла фазового регулирования токи тяговых двигателей, поддерживаемые ЭДС самоиндукции сглаживающих реакторов и равные по /310, замыкаются через плечи 12 — 17 соответствующих мостов 3, 4 и 5 преобразователя. В момент t1 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 Id, замыкается через конденсатор 2 и начинается его разряд. По мере разряда конденсатора 2 ток i в 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, ток i достигает половины тока Id, а ток i конденсатора приобретает зарядное для конденсатора направление и достигает в этом направлении величины 1/6 Id. В этот момент.t2 подают управляющие импульсы на главные вентили полностью управляемого плеча другого (любого) моста, например плеча 9 моста 4, и выпрямленный ток !/3 id 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 t> и (2, ток iT во вторичной обмотке трансформатора 1 достигает величины 11, т.е. полного тока нагрузки преобразователя, ток конденсатора 2 достигает значения 1/3 Id, а напряжение U на конденсаторе нарастает до мгновенного значения питающего напряжения. В этот момент t подают управляющие импульсы на главные вентили следующего моста, например плеча 10 моста 5, в результате чего ток двигателей 20, равный также 1/3 Id, замыкается через вторичную обмотку трансформатора 1, а ток

i в конденсаторе 2 скачком падает до нуля.

Далее во второй части данного полупериода питающего напряжения уменьшение тока трансформатора 1 до нуля еще в пределах данного полупериода питающего напряжения производят поочередным гашением главных вентилей в управляемых плечах мостов преобразователя.

Так, например, в регулируемый по фазе момент времени t4, подают первоначально управляющие импульсы на гасящие вентили плеча 6 моста 3 и в результате запирания главных вентилей этого плеча и анало954270

6= (и Ф)) 3х где п>2

20 управляемых плеч 7, 9 и l l в моменты t1, 25 (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 t и t, подают управляющие импульсы на гасящие вентили управляемых плеч других мостов, например плеча 8 моста 4, переключая тем самым ток двигателей 19 в плечи 14 и 15 этого моста, а потом плеча 10 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 еще до перехода кривой питающего напряжения через нуль, -а в течение угла регулирования 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 t0, t плавного спада этого тока в пределах уже этого полупериода питающего напряжения. Причем для цепей равномерного распределения выпрямленного тока между отдельными цепями двигателей очередность работы мостов в разных полупериодах питающего напряжения может быть произвольно изменена как при управлении процессом нарастания тока в начале каждого полупериода, так и процессом гашения тока в конце каждого полупериода 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 импуль-. сов (2 "1= 3 2 = 5 (4 = 6 5 где % — полупериод изменения питающего напряжения; к — отношение частоты собственных колебаний тока конденсатора к частоте питающей сети.

Общая длительность коммутации при нарастании тока

6 = (t>-4) + (t>-tz) = (2/3+2/3) К/к =

= 4 /Зк, а при гашении тока

6 = (tz t4) + (t|;- t5) = (2/3+2/3) Ус/к =

= 4й/к

Зо

Как видно из диаграммы (фиг. 2), в слу-. чае рассмотренного примера при трех мостах кривая тока i трансформатора состоит из двух частей полусинусоид переходных колебательных токов конденсатора, сдвинутых между собой на fi/Зк и сопряженных между собой в точке 2X/3ê.

Исследования показали, что наиболее эффективным является сопряжение кривых в моменты изменения полусинусоид, соответствующие точкам 2Б/Зк и первой Ю/Зк каждой из последующих кривых. При 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 и мостов, коммутация растягивается на (n — 1) интервалов, а ее длительность определяется зависимостью

Из приведенного выражения видно, что если при двух мостах (и = 2) коммутация осуществляется за один цикл длительностью

E/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 й/Зк, при четырех — за три цикла, т.е.

6 = (2/3+1/3+2/3) 7i/к = 5Х/Зк, при пяти — за четыре цикла, т.е.

6 = (2/3+1/3+ 1/3+2/3) Х/к = 2Х/к и т.д.

В общем случае при мостах будет (n — 1) циклов, из которых первый и последний одинаковы и равны каждый по 2фЗк, а все промежуточные между первым и последним также одинаковы между собой и равны каждой по К/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 n = 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 тяговых

954270 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.

Формула изобретения

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 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 второ25 ro 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 СССР № 515674, кл. В 60 1 9/12, 1974.

954270

Оь/ 2

4 5 4 7!

О 4 4

ОЪг2

Составитель Л. Резникова

Редактор Н. Безродная Техред А. Бойкас Корректор Г. Огар

Заказ 6149/14 Тираж 718 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытии

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент>, г. Ужгород, ул. Проектная, 4