RU2728891C1 - Выпрямительно-инверторный преобразователь электроподвижного состава и способ его управления в режиме рекуперативного торможения - Google Patents

Выпрямительно-инверторный преобразователь электроподвижного состава и способ его управления в режиме рекуперативного торможения Download PDF

Info

Publication number
RU2728891C1
RU2728891C1 RU2019142069A RU2019142069A RU2728891C1 RU 2728891 C1 RU2728891 C1 RU 2728891C1 RU 2019142069 A RU2019142069 A RU 2019142069A RU 2019142069 A RU2019142069 A RU 2019142069A RU 2728891 C1 RU2728891 C1 RU 2728891C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
period
traction
thyristor
regenerative braking
Prior art date
Application number
RU2019142069A
Other languages
English (en)
Inventor
Игорь Александрович Баринов
Олег Валерьевич Мельниченко
Александр Юрьевич Портной
Алексей Олегович Линьков
Сергей Геннадьевич Шрамко
Дмитрий Александрович Яговкин
Вячеслав Станиславович Томилов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС)
Priority to RU2019142069A priority Critical patent/RU2728891C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2728891C1 publication Critical patent/RU2728891C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking
    • B60L7/12—Dynamic electric regenerative braking for vehicles propelled by dc motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/02—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using dc motors
    • B60L9/08—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using dc motors fed from ac supply lines
    • B60L9/12—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using dc motors fed from ac supply lines with static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/145—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/155—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/162—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only in a bridge configuration
    • H02M7/1623—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only in a bridge configuration with control circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/06—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current
    • H02P7/18—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power
    • H02P7/24—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P7/28—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P7/285—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only
    • H02P7/292—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using static converters, e.g. AC to DC
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Abstract

Группа изобретений относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Способ управления выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава заключается в том, что шунтируют цепь выпрямленного тока электропривода разрядным плечом. Шунтирование цепи выпрямленного тока в режиме рекуперативного торможения осуществляют путем отпирания транзисторов с помощью импульсов управления с углом won в моменты времени ωt=π-won электрических градусов в первом полупериоде, ωt=2π-won электрических градусов во втором полупериоде. Отключение разрядного плеча осуществляют путем запирания транзисторов с помощью снятия импульсов управления с углом woff в моменты времени ωt=woff электрических градусов в первом полупериоде, ωt=π+woff электрических градусов во втором полупериоде. При этом углы won и woff подбираются по критерию максимального коэффициента мощности, измеряемого в первичной обмотке тягового трансформатора. Также заявлена конструкция выпрямительно-инверторного преобразователя электроподвижного состава. Технический результат заключается в повышении энергетических показателей преобразователя в режиме рекуперативного торможения. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к преобразовательной электротехнике и может быть использовано в качестве стационарного силового многозонного выпрямительно-инверторного преобразователя на электроподвижном составе (электровозах и электропоездах), получающем питание от тяговой сети однофазного переменного тока промышленной частоты. Заявляемый преобразователь предназначен для преобразования однофазного переменного тока промышленной частоты в постоянный ток для питания тяговых электродвигателей в режиме тяги, а также для преобразования постоянного тока в однофазный переменный ток промышленной частоты для возврата электроэнергии в тяговую сеть в режиме рекуперативного торможения.
При разработке заявляемого преобразователя с точки зрения осуществляемого им алгоритма управления тиристорными плечами, пункт 1 формулы изобретения, решалась задача повышения энергетических показателей электроподвижного состава в режиме рекуперативного торможения. Современные отечественные преобразователи, выполненные на силовых тиристорах, характеризуются низким коэффициентом мощности в режимах тяги и в особенности рекуперативного торможения. Снижение коэффициента мощности обусловлено значительным углом сдвига фаз ϕ между синусоидальными кривыми переменных тока и напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора, что, в свою очередь, связано с недостатками применяемых алгоритмов управления тиристорными плечами преобразователей. В рамках изобретения проблема низкого коэффициента мощности в режиме рекуперативного торможения решается путем переработки алгоритма управления тиристорными плечами, для чего производится шунтирование цепи выпрямленного тока электропривода разрядным плечом, обладающим функционалом полностью управляемого электронного ключа.
При разработке заявляемого преобразователя с точки зрения его конструкции, пункт 2 формулы изобретения, решалась задача, объединяющая потребность в осуществлении оригинального алгоритма управления тиристорными плечами в режиме рекуперативного торможения, для чего в конструкции дополнительно предусмотрено наличие разрядного плеча, обладающего функционалом полностью управляемого электронного ключа, а также необходимость обеспечения удобства монтажа преобразователя и его обслуживания при эксплуатации, соответствия требованиям к ограничению массы и габаритов для установки на электроподвижном составе и требованиям к тепловому режиму элементов.
Известны стационарные силовые многозонные преобразователи, осуществляющие выпрямление однофазного переменного тока в режиме тяги и инвертирование постоянного тока в режиме рекуперативного торможения.
Так, известен серийный выпрямительно-инверторный преобразователь ВИП-4000М-УХЛ2 [Рук. по эксплуатации выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП-4000М-УХЛ2. ИЖРФ 435 511.021 РЭ], предназначенный для преобразования однофазного переменного тока частоты 50 Гц в постоянный в режиме тяги и для преобразования постоянного тока в однофазный переменный ток частотой 50 Гц в режиме рекуперативного торможения. Преобразователь выполнен в виде сварного каркаса из профильной и листовой стали, в котором крепятся различные блоки и элементы. С лицевой и обратной сторон каркаса расположены тиристорные блоки, образующие с помощью соединительных шин переменного и постоянного тока восемь плеч однофазного моста. Блоки тиристоров по высоте расположены по четыре, а по горизонтали - по восемь штук. В верхней и нижней частях каркаса с лицевой и обратной сторон расположены делители тока, закрепленные к каркасу через изоляторы, а по торцам закреплены четыре блока управления. С боковых сторон расположены конденсаторы снабберных цепей. В верхней части каркаса имеются болты заземления, а также клеммные блоки для подключения блока питания и системы управления электровоза, разъем для подключения блока диагностики и переключатель диагностики плеч. Шины переменного тока расположены по углам с обратной стороны, шины постоянного тока для подключения двух параллельно соединенных тяговых электродвигателей - в нижней части с лицевой и обратной сторон.
Основным недостатком такого преобразователя является невозможность перевода накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку, что приводит к снижению коэффициента мощности как в режиме тяги, так и в режиме рекуперативного торможения. Помимо этого, устройство содержит энерго- и материалоемкие индуктивные делители тока, потребность в которых отпала в связи с развитием силовых полупроводниковых приборов.
Известен зависимый многозонный преобразователь однофазного переменного тока [Пат. RU 2418354, МПК Н02М 5/12 / Патентообладатель ФГБОУ ВО ДВГУПС. - №2010113666/07; заявл. 07.04.2010; опубл. 10.05.2011, Бюл. №13], построенный на основе параллельных тиристорных мостов, содержащий четыре зоны регулирования напряжения и обеспечивающий шунтирование цепи выпрямленного тока электропривода неуправляемым вентилем - диодом, катод которого присоединен к анодной, а анод - к катодной шинам преобразователя. Применение диода позволяет уменьшить угол запаса инвертора δ благодаря уменьшению угла коммутации γ тиристорных плеч, что, в свою очередь, приводит к уменьшению угла сдвига фаз ϕ между кривыми тока и напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора. Уменьшение угла ϕ снижает реактивную и повышает активную составляющие полной энергии переменного тока, возвращаемой электровозом в тяговую сеть во время инвертирования постоянного тока в переменный в режиме рекуперативного торможения, что ведет к повышению коэффициента мощности преобразователя. Отключение диода от цепи выпрямленного тока при прекращении режима рекуперативного торможения производится с помощью силового контакта тормозного переключателя.
Достоинством этого преобразователя является его повышенный коэффициент мощности в режиме рекуперативного торможения при сохранении регулирования напряжения на всех зонах в широком диапазоне.
Недостаток преобразователя заключается в том, что отключение диода от анодной шины при прекращении рекуперативного торможения производится с помощью силового контакта тормозного переключателя, снижающего надежность работы преобразователя. Кроме того, диодное плечо используется только в режиме рекуперативного торможения и не влияет на работу преобразователя в режиме тяги, который остается типовым.
Известен также способ управления многозонным преобразователем однофазного переменного тока [Пат. RU 2561913, МПК Н02Р 7/292 / Патентообладатель Власьевский С.В. - №2014115762/07; заявл. 18.04.2014; опубл. 10.09.2015, Бюл. №25] с высоким коэффициентом мощности на всех зонах регулирования напряжения, осуществляющий шунтирование цепи выпрямленного тока электропривода двумя плечами, каждое из которых состоит из последовательно соединенных силовых неуправляемого диода и управляемого тиристора и подключено между катодной и анодной шинами преобразователя. В первом плече катод диода подключают к катодной шине, а анод тиристора - к анодной шине преобразователя. Во втором плече катод диода подключают к анодной шине, а анод тиристора - к катодной шине. Бесконтактное отключение диода каждого плеча при переходе преобразователя из режима тяги в режим рекуперативного торможения и наоборот производится с помощью соответствующего тиристора, который своим закрытым состоянием отключает контролируемое плечо.
Достоинством такого способа управления является повышение коэффициента мощности преобразователя в двух режимах работы и на всех зонах регулирования напряжения за счет шунтирования цепи выпрямленного тока электропривода и бесконтактное отключение каждого из двух плеч с помощью закрытия соответствующего тиристора при переходе преобразователя между режимами, что повышает надежность работы преобразователя по сравнению с контактными схемами переключения.
Недостатком такого способа управления является необходимость задействовать для каждого режима работы преобразователя отдельное плечо из последовательно соединенных диода и тиристора, т.е. наличие двух плеч согласно двум режимам работы преобразователя. В режиме тяги работает только первое плечо, присоединенное катодом диода к катодной и анодом тиристора к анодной шинам преобразователя, а в режиме рекуперативного торможения работает только второе плечо, присоединенное наоборот. В результате конструкция преобразователя требует повышенного количества дорогостоящих элементов - силовых полупроводниковых приборов. Кроме того, тиристор каждого плеча, открываемый на время работы преобразователя в соответствующем режиме и закрываемый при окончании этого режима, выступает только в роли электронного ключа и не выполняет роли регулятора, способного активно влиять на величину коэффициента мощности преобразователя.
Наиболее близким к заявляемому преобразователю по совокупности существенных признаков с точки зрения осуществляемого им алгоритма управления тиристорными плечами является способ управления многозонным преобразователем [Пат. RU 2689786, МПК Н02Р 7/292 / Патентообладатель ООО «ТрансПроТех». - №2018121872; заявл. 13.06.2018; опубл. 29.05.2019, Бюл. №16], при котором осуществляется шунтирование цепи выпрямленного тока электропривода плечом, состоящим из последовательно соединенных силовых диода и транзистора (или другого полностью управляемого электронного ключа) и присоединенным катодом диода к катодной, а коллектором транзистора - к анодной шинам преобразователя, а также управление открытием и закрытием транзистора в необходимые моменты времени на интервале каждого полупериода напряжения тяговой сети. Способ управления предполагает открытие транзистора с помощью подачи на него импульса управления в режиме тяги в момент времени ωt = 0 электрических градусов (далее - эл. град.) в первом полупериоде и ωt = π эл. град, во втором полупериоде, а в режиме рекуперативного торможения в моменты времени соответственно ωt = π - 20 эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π - 20 эл. град. во втором полупериоде, а также последующее закрытие транзистора с помощью снятия с него импульса управления в режиме тяги на первой зоне регулирования напряжения в моменты времени ωt = αрег эл. град. в первом полупериоде и ωt = π + αрег эл. град. во втором полупериоде и на остальных зонах выше первой в моменты времени ωt = 10 эл. град. в первом полупериоде и ωt = π + 10 эл. град. во втором полупериоде, а в режиме рекуперативного торможения на всех зонах в моменты времени ωt = π эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π эл. град. во втором полупериоде напряжения тяговой сети.
Достоинствами такого преобразователя являются повышенный коэффициент мощности преобразователя на всех зонах регулирования напряжения и высокая надежность его работы благодаря отсутствию контактных элементов.
Недостаток такого преобразователя состоит в том, что предложенный для режима рекуперативного торможения алгоритм управления тиристорными плечами, предполагающий открытие транзистора в моменты времени ωt = π - 20 эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π - 20 эл. град. во втором полупериоде напряжения, а также его закрытие в моменты времени ωt = π эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π эл. град. во втором полупериоде напряжения тяговой сети, не обеспечивает наибольшего прироста коэффициента мощности преобразователя в этом режиме работы, что связано с неполным использованием потенциала разрядного плеча с функционалом полностью управляемого электронного ключа. Так как, в соответствии с алгоритмом управления, транзистор разрядного плеча открывается перед окончанием каждого полупериода напряжения, а закрывается с началом следующего полупериода, протекание этапов работы тиристорных плеч преобразователя установлено несимметрично относительно границ полупериодов напряжения (0, π, 2π и т.д.). В результате синусоидальная кривая переменного тока в первичной обмотке тягового трансформатора сохраняет сдвиг относительно кривой переменного напряжения, т.е. угол сдвига фаз ϕ между этими кривыми остается. Это означает ограниченность прироста коэффициента мощности такого преобразователя в режиме рекуперативного торможения. Другим недостатком преобразователя является привязка операций открытия и закрытия транзистора разрядного плеча в двух режимах работы к определенным моментам времени, указанным в алгоритмах управления и выраженным в эл. град., что представляется нерациональным в свете непостоянства электромагнитных процессов, например, в зависимости от серии электроподвижного состава, зоны регулирования напряжения, а также условий эксплуатации, электроснабжения и токосъема.
Наиболее близким к заявляемому преобразователю по совокупности существенных признаков с точки зрения его конструкции является преобразователь [Пат. RU 176455, МПК Н02М 7/00 / Патентообладатель ОАО «Электровыпрямитель». - №2017100483; заявл. 09.01.2017; опубл. 19.01.2018, Бюл. №2], предназначенный для питания тяговых электродвигателей электровозов переменного тока и шунтирования цепи выпрямленного тока неуправляемыми вентилями - диодами. Преобразователь выполнен в виде сварного каркаса из профильной стали, на торцевых наружных стенах которого установлены защитные снабберные цепи и выравнивающие резисторы, а на торцевых внутренних стенах расположены блоки формирования управляющих импульсов и импульсных трансформаторов. В верхней раме каркаса закреплены клеммные блоки и разъем для подключения блока диагностики. На лицевой и обратной сторонах каркаса установлены блоки тиристоров, соединенные токопроводящими шинами. С лицевой стороны преобразователя расположено диодное плечо с защитными снабберными цепями и выравнивающими резисторами, размещены четыре контакта для подключения входного переменного напряжения, а также имеются выходные контакты для подключения тяговых электродвигателей и шунтирующих диодов.
Достоинством этого преобразователя является его повышенный коэффициент мощности в режиме тяги при сохранении регулирования напряжения на всех зонах в широком диапазоне.
Недостатком такого преобразователя является ограниченность положительного эффекта от перевода накопленной энергии индуктивности цепи выпрямленного тока в нагрузку, что связано с шунтированием цепи выпрямленного тока неуправляемыми диодами. Предлагаемое диодное плечо не подвержено управлению и поэтому работает исключительно в условиях принятого алгоритма управления тиристорными плечами и в соответствии с протекающими в электроприводе электромагнитными процессами. В результате использования диодного плеча повышается коэффициент мощности электровоза в режиме тяги, что достигается ускорением коммутации между тиристорными плечами. Однако диодное плечо не влияет на работу преобразователя в режиме рекуперативного торможения, который остается типовым, и не выполняет роли регулятора, способного активно влиять на величину коэффициента мощности преобразователя.
Сущностью данного изобретения является разработка выпрямительно-инверторного преобразователя, отличающегося от известных аналогов повышенными энергетическими показателями в режиме рекуперативного торможения, что достигается благодаря шунтированию цепи выпрямленного тока электропривода разрядным плечом, обладающим функционалом полностью управляемого электронного ключа, а также осуществлению оригинального алгоритма управления тиристорными плечами. При этом разрядное плечо содержит одну или несколько параллельных ветвей, каждая из которых состоит из одного или нескольких диодов, подключенных своими катодами к катодной шине преобразователя, и одного или нескольких транзисторов либо других полностью управляемых электронных ключей, подключенных своими коллекторами к анодной шине преобразователя. Таким образом, количество последовательно-параллельных диодов, количество последовательно-параллельных транзисторов или других полностью управляемых электронных ключей, а также количество параллельных ветвей разрядного плеча могут быть заданы любыми исходя из технических характеристик предпочтительных силовых полупроводниковых приборов и их условий работы.
Заявляемый алгоритм управления заключается в шунтировании цепи выпрямленного тока разрядным плечом в каждом полупериоде напряжения тяговой сети в режиме рекуперативного торможения, что осуществляется путем открытия транзистора (транзисторов) разрядного плеча с помощью подачи на него импульса управления в моменты времени ωt = π - won эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π - won эл. град. во втором полупериоде, а также путем закрытия транзистора с помощью снятия с него импульса управления в моменты времени ωt = woff эл. град. в первом полупериоде и ωt = π + woff эл. град. во втором полупериоде напряжения тяговой сети. При этом углы управления won и woff, связанные с подачей и снятием импульса управления с транзистора (транзисторов) разрядного плеча, не имеют привязки к определенным моментам времени, а принимаются по критерию максимального коэффициента мощности, например, в зависимости от серии электроподвижного состава, зоны регулирования напряжения, а также условий эксплуатации, электроснабжения и токосъема.
Заявляемая конструкция преобразователя включает в себя сварной каркас, защитные снабберные цепи и выравнивающие резисторы, блоки формирования управляющих импульсов и блоки импульсных трансформаторов, клеммные блоки и клеммные разъемы, блоки тиристоров и токопроводящие шины, контакты для подключения переменного тока тяговой сети и контакты для подключения постоянного тока для питания тяговых электродвигателей. Кроме того, с одной или с обеих фронтальных сторон преобразователя по центру либо слева или справа от центра расположены элементы разрядного плеча, шунтирующего цепь выпрямленного тока и содержащего одну или несколько параллельных ветвей, каждая из которых состоит из одного или нескольких диодов, подключенных своими катодами к катодной шине преобразователя, и одного или нескольких транзисторов либо других полностью управляемых электронных ключей, подключенных своими коллекторами к анодной шине преобразователя.
Перечисленные существенные признаки отличают заявляемое изобретение от прототипов. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря шунтированию цепи выпрямленного тока разрядным плечом, обладающим функционалом полностью управляемого электронного ключа, а также применению в режиме рекуперативного торможения оригинального алгоритма управления тиристорными плечами в каждом полупериоде напряжения тяговой сети, что осуществляется путем открытия транзистора (транзисторов) разрядного плеча с помощью подачи на него импульса управления в моменты времени ωt = π - won эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π - won эл. град. во втором полупериоде, а также путем закрытия транзистора с помощью снятия с него импульса управления в моменты времени ωt = woff эл. град. в первом полупериоде и ωt = π + woff эл. град. во втором полупериоде напряжения тяговой сети, достигается повышение коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования напряжения в этом режиме работы.
Достижение этого эффекта обусловлено следующим. Шунтирование цепи выпрямленного тока разрядным плечом, обладающим функционалом полностью управляемого электронного ключа, а также применение в режиме рекуперативного торможения оригинального алгоритма управления тиристорными плечами в каждом полупериоде напряжения тяговой сети, что осуществляется путем открытия транзистора (транзисторов) разрядного плеча с помощью подачи на него импульса управления в моменты времени ωt = π - won эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π - won эл. град. во втором полупериоде, а также путем закрытия транзистора с помощью снятия с него импульса управления в моменты времени ωt = woff эл. град. в первом полупериоде и ωt = π + woff эл. град. во втором полупериоде, означает протекание этапов работы тиристорных плеч преобразователя симметрично относительно границ полупериодов напряжения (0, π, 2π и т.д.). В результате угол сдвига фаз ϕ между синусоидальными кривыми переменных тока и напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора практически исчезает, что снижает реактивную и повышает активную составляющие полной энергии переменного тока. Как следствие, повышается коэффициент мощности преобразователя и электроподвижного состава в целом.
Описанная причинно-следственная связь явно не вытекает из существующего уровня техники и является новой. Наличие новой причинно-следственной связи вида «существенные отличительные признаки - результат» свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена упрощенная принципиальная силовая схема электроподвижного состава с заявляемым преобразователем. Заявляемое изобретение может быть реализовано, например, в устройстве, содержащем токоприемник для получения электроэнергии от тяговой сети, тяговый трансформатор, стационарный многозонный силовой преобразователь на основе параллельных тиристорных мостов, разрядное плечо, содержащее одну или несколько параллельных ветвей с одним или несколькими диодами и одним или несколькими транзисторами в каждой, а также цепь выпрямленного тока, служащую потребителем электроэнергии в режиме тяги или источником электроэнергии в режиме рекуперативного торможения.
Токоприемник 1 и заземление 2 на рельс включают между собой первичную обмотку тягового трансформатора 3, вторичная обмотка которого разделена на три последовательные секции 4, 5, 6 с выводами 7, 8, 9, 10. При этом две секции 4, 5 имеют равное количество витков и, следовательно, равное напряжение, а третья секция 6 имеет в два раза большее количество витков, т.е. по количеству витков и напряжению равна сумме первых двух секций 4 и 5. Выпрямительно-инверторный преобразователь выполнен на параллельных тиристорных мостах, состоящих из нескольких цепей тиристорных плеч. Каждая цепь содержит пару 11-12, 13-14, 15-16 и 17-18 последовательно соединенных тиристорных плеч. При этом катоды всех нечетных 11, 13, 15 и 17 тиристорных плеч, соединенные в одну общую точку схемы, образуют катодную шину преобразователя, а аноды всех четных 12, 14, 16, и 18 тиристорных плеч, соединенные в другую общую точку схемы, образуют анодную шину преобразователя. Средние точки цепей подключены к соответствующим выводам 7, 8, 9, 10 секций 4, 5, 6 вторичной обмотки тягового трансформатора. Разрядное плечо 19 образовано одной или несколькими параллельными ветвями 20.1-21.1 - 20.k-21.k, каждая из которых содержит один или несколько диодов 22.1-22.m и один или несколько транзисторов 23.1-23.n или других полностью управляемых электронных ключей. Цепь выпрямленного тока включает в себя сглаживающий реактор 24 и тяговый электродвигатель 25 постоянного тока, включенные между собой последовательно. Цепь выпрямленного тока со стороны сглаживающего реактора 24 подключена к катодной шине преобразователя, а со стороны тягового электродвигателя 25 - к анодной шине преобразователя.
На фиг. 2 представлены основные электромагнитные процессы работы заявляемого преобразователя в режиме рекуперативного торможения на I и IV зонах регулирования напряжения.
Работа преобразователя в режиме рекуперативного торможения на I зоне осуществляется путем перевода цепи выпрямленного тока со сглаживающим реактором 24 и тяговым электродвигателем 25 из режима тяги (потребитель электроэнергии) в режим рекуперативного торможения (источник электроэнергии), в результате чего тяговый электродвигатель превращается в генератор постоянного тока с независимым возбуждением, вращение якоря которого осуществляется колесными парами электроподвижного состава через механический редуктор. Положительный потенциал «+» напряжения генератора 25 прикладывается к анодной шине преобразователя, а его отрицательный потенциал «-» через сглаживающий реактор 24 прикладывается к катодной шине преобразователя. От токоприемника 1 на первичную обмотку 3 тягового трансформатора подается однофазное переменное напряжение промышленной частоты. Далее секция 5 его вторичной обмотки подает напряжение на средние точки цепей тиристорных плеч 13-14 и 15-16 преобразователя. В результате преобразователь приобретает режим работы однофазного зависимого от частоты напряжения тяговой сети (ведомого сетью) инвертора, в котором напряжение генератора по величине должно быть несколько больше выпрямленного напряжения преобразователя. При соблюдении этой разницы величин напряжений постоянный ток генератора 25 через тиристорные плечи 14, 15 в первом полупериоде и 13, 16 во втором полупериоде напряжения тяговой сети поступает в секцию 5 вторичной обмотки тягового трансформатора, а затем путем трансформации - в первичную обмотку 3 и далее через токоприемник 1 и заземление 2 в сеть. Благодаря независимому возбуждению генератора это условие выполняется, и через преобразователь происходит преобразование (инвертирование) постоянного тока генератора в переменный ток тяговой сети.
Процесс регулирования напряжения на I зоне подробнее представлен на фиг. 2, а. В первом полупериоде напряжения тяговой сети, соответствующем сплошной стрелке направления ЭДС (Е), происходит подача отпирающих импульсов управления α0 в момент времени ωt = α0 эл. град. на тиристорные плечи 14 и 15, на аноды которых поступает положительный потенциал «+» напряжения генератора 25. В результате открытия тиристорных плеч 14 и 15 происходит протекание тока по контуру: «+» генератора 25 - тиристорное плечо 14 - секция 5 вторичной обмотки - тиристорное плечо 15 - сглаживающий реактор 24 - «-» генератора 25. Затем происходит подача импульса управления в момент времени ωt = π - won эл. град. на транзистор (транзисторы) 23.1-23.n. В результате открытия диодов 22.1-22.m и транзисторов 23.1-23.n через ветви 20.1-21.1 - 20.k-21.k разрядного плеча 19 возникает новая цепь разряда энергии сглаживающего реактора 24 и генератора 25 с малым сопротивлением (сумма прямых сопротивлений транзистора и диода), которая параллельна цепи протекания тока, образованного ранее открытыми тиристорными плечами 14 и 15. Через разрядное плечо 19 начинает протекать значительный ток в силу малого сопротивления этого плеча, что также увеличивает ток в генераторе 25. Включение разрядного плеча приводит к закрытию тиристорных плеч 14 и 15. Затем в момент времени ωt = π + woff эл. град. второго полупериода напряжения, соответствующего пунктирной стрелке направления ЭДС, происходит снятие импульса управления с транзистора (транзисторов) 23.1-23.n, в результате чего разрядное плечо 19 переходит в закрытое состояние и через него прекращается протекание тока. Закрытие разрядного плеча 19 создает потенциальные условия для включения тиристорных плеч 13 и 16. Одновременно с закрытием разрядного плеча 19 на эти тиристорные плечи подаются отпирающие импульсы управления α0 в момент времени ωt = π + α0 эл. град., в результате чего они открываются. С этого момента во втором полупериоде начинается второй цикл инвертирования постоянного тока генератора 25 в переменный ток секции 5 вторичной обмотки тягового трансформатора и далее в ток тяговой сети. Процессы работы преобразователя во втором полупериоде подобны описанным выше с той разницей, что инвертирование происходит через плечи 13 и 16 (см. фиг. 2, а).
Работа преобразователя в режиме рекуперативного торможения на II, III и IV зонах регулирования напряжения осуществляется аналогично путем перевода цепи выпрямленного тока со сглаживающим реактором 24 и тяговым электродвигателем 25 из режима тяги (потребитель электроэнергии) в режим рекуперативного торможения (источник электроэнергии), в результате чего тяговый электродвигатель превращается в генератор постоянного тока с независимым возбуждением, вращение якоря которого осуществляется колесными парами электроподвижного состава через механический редуктор. Положительный потенциал «+» напряжения генератора 25 прикладывается к анодной шине преобразователя, а его отрицательный потенциал «-» через сглаживающий реактор 24 прикладывается к катодной шине преобразователя. От токоприемника 1 на первичную обмотку 3 тягового трансформатора подается однофазное переменное напряжение промышленной частоты. Далее секции 4, 5, 6 его вторичной обмотки (в зависимости от зоны регулирования напряжения) подают напряжение на средние точки цепей тиристорных плеч 11-12, 13-14, 15-16 и 17-18 преобразователя. В результате преобразователь приобретает режим работы однофазного зависимого от частоты напряжения тяговой сети (ведомого сетью) инвертора, в котором напряжение генератора по величине должно быть несколько больше выпрямленного напряжения преобразователя. При соблюдении этой разницы величин напряжений постоянный ток генератора 25 через тиристорные плечи преобразователя поступает в секции вторичной обмотки тягового трансформатора, а затем путем трансформации - в первичную обмотку 3 и далее через токоприемник 1 и заземление 2 в сеть. Благодаря независимому возбуждению генератора это условие выполняется, и через преобразователь происходит преобразование (инвертирование) постоянного тока генератора в переменный ток тяговой сети.
Процесс регулирования напряжения на IV зоне подробнее представлен на фиг. 2, б. В первом полупериоде напряжения тяговой сети, соответствующем сплошной стрелке направления ЭДС (Е), происходит подача отпирающих импульсов управления α0 в момент времени ωt = α0 эл. град. на тиристорные плечи 12 и 17, что приводит к их открытию. Затем в момент времени ωt = αрег эл. град. открывается тиристорное плечо 14 благодаря подаче на него отпирающего импульса управления αрег. В результате открытия тиристорного плеча 14 происходит закрытие (коммутация) тиристорного плеча 12, и процесс инвертирования продолжается уже через тиристорные плечи 14 и 17. В момент времени ωt = π - won эл. град. транзистор (транзисторы) 23.1-23.n открывается под действием прямого напряжения генератора 25 и подачи на него импульса управления, и через разрядное плечо 19 возникает новая цепь разряда энергии сглаживающего реактора 24 и генератора 25, которая параллельна цепи протекания тока, состоящей из тиристорных плеч 14, 17 и секций 5, 6 вторичной обмотки тягового трансформатора. Поскольку эта цепь имеет значительно большее сопротивление, чем цепь разрядного плеча 19, через плечо начинает протекать больший ток генератора 25, а ток в цепи тиристорных плеч 14, 17 и секций 5, 6 резко снижается, что приводит к закрытию тиристорных плеч. Во втором полупериоде в момент времени ωt = π + woff эл. град, снимается импульс управления с транзистора (транзисторов) 23.1-23.n, в результате чего диоды и транзисторы разрядного плеча 19, открытые ранее в момент времени ωt = π - won эл. град., закрываются. Также в момент времени ωt = π + α0 эл. град. на тиристорные плечи 11 и 18 подаются отпирающие импульсы управления α0, в результате чего они открываются и во втором полупериоде начинает осуществляться следующий цикл процесса инвертирования тока генератора 25 в тяговую сеть, соответствующий пунктирной стрелке направления ЭДС (Е). Процессы работы преобразователя во втором полупериоде подобны описанным выше с той разницей, что инвертирование происходит через плечи 11, 13 и 18 (см. фиг. 2, б).
Работа заявляемого преобразователя на II и III зонах регулирования напряжения протекает аналогично алгоритму, описанному для IV зоны, с той разницей, что процесс инвертирования происходит через тиристорные плечи 11, 12, 13, 14, 15, 16 и секции 4, 5 вторичной обмотки (II зона), или тиристорные плечи 13, 14, 15, 16, 17, 18 и секции 5, 6 вторичной обмотки (III зона).
Работа заявляемого преобразователя в режиме тяги не входит в данное изобретение и может осуществляться в соответствии с типовым алгоритмом управления, принятым на современных отечественных преобразователях, или, например, в соответствии со способом управления, подразумевающим шунтирование цепи выпрямленного тока неуправляемым вентилем - диодом.
На фиг. 3 представлена таблица импульсов управления, подаваемых на открытие тиристорных плеч преобразователя и на поддержание открытого состояния транзистора (транзисторов) разрядного плеча на всех зонах регулирования напряжения и в соответствии с каждым полупериодом напряжения тяговой сети.
На фиг. 4 представлена схема расположения конструктивных элементов заявляемого преобразователя. Преобразователь имеет блочную конструкцию для обеспечения его ремонта без демонтажа из высоковольтной камеры. Размещение блоков и узлов выполнено с учетом удобства монтажа и обслуживания, а также соответствия требованиям к ограничению массы и габаритов и к тепловому режиму элементов.
Конструктивно преобразователь выполнен в виде сварного каркаса 26 из профильной и листовой стали и предназначен для размещения в высоковольтной камере электровоза. На одной из фронтальных сторон каркаса крепится заводской щиток 27, расположены тиристорные блоки 28 и диодно-транзисторные блоки 29, при этом диодно-транзисторные блоки могут быть конструктивно расположены как с одной, так и с другой фронтальной стороны, а также с обеих сторон сразу по центру, слева или справа от центра преобразователя. Из диодно-транзисторных блоков собрано разрядное плечо, содержащее одну или несколько параллельных ветвей с одним или несколькими диодами и одним или несколькими транзисторами в каждой.
При этом расположение тиристорных плеч, расположение и состав разрядного плеча, а также маркировка тиристоров, диодов и транзисторов указаны на табличках 30, расположенных с двух сторон каркаса. На внутренних торцевых стенах каркаса закреплены четыре блока управления 31, а на внешних торцевых стенах закреплены конденсаторы защитных снабберных цепей 32 и панели высоковольтных резисторов 33. В нижней части каркаса в центре расположены конденсаторы снабберных цепей 34 разрядного плеча и панели высоковольтных резисторов 35. На обратной стороне по центру силового блока 36 расположены заглушки 37. В верхней части каркаса расположены клеммник питания 38 для подключения блока питания, клеммник управления 39 для подключения микропроцессорной системы управления движением электровоза, разъем 40 для подключения блока диагностики и переключатель диагностики плеч 41. Подключение к входному переменному току осуществляется через клеммы 42, а подключение к цепи выпрямленного тока и тяговых электродвигателей через клеммы 43. Для подключения разрядного плеча служит клемма 44. В верхней части каркаса имеются болты заземления 45. Для погрузки и транспортирования преобразователя служат грузовые скобы 46.

Claims (2)

1. Способ управления выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава, организованным на основе параллельных тиристорных мостов и содержащим несколько зон регулирования напряжения, заключающийся в повышении коэффициента мощности и увеличении возврата электрической энергии в тяговую сеть в режиме рекуперативного торможения при инвертировании постоянного тока тяговыми электродвигателями, работающими в качестве генераторов, что достигается путем шунтирования цепи выпрямленного тока электропривода разрядным плечом, включенным между анодной и катодной шинами преобразователя, содержащим одну или несколько параллельных ветвей, каждая из которых состоит из одного или нескольких диодов, подключенных своими катодами к катодной шине преобразователя, и одного или нескольких транзисторов либо других полностью управляемых электронных ключей, подключенных своими коллекторами к анодной шине преобразователя, отличающийся тем, что шунтирование цепи выпрямленного тока электропривода разрядным плечом в режиме рекуперативного торможения в каждом периоде напряжения тяговой сети осуществляется путем отпирания транзисторов с помощью подачи на их базы импульсов управления с некоторым углом won в моменты времени ωt=π-won электрических градусов в первом полупериоде, ωt=2π-won электрических градусов во втором полупериоде, а бесконтактное отключение разрядного плеча осуществляется путем запирания транзисторов с помощью снятия с их баз импульсов управления с некоторым углом woff в моменты времени ωt=woff электрических градусов в первом полупериоде, ωt=π+woff электрических градусов во втором полупериоде, где углы won и woff подбираются по критерию максимального коэффициента мощности, измеряемого в первичной обмотке тягового трансформатора.
2. Конструкция выпрямительно-инверторного преобразователя электроподвижного состава, организованного на основе параллельных тиристорных мостов и содержащего несколько зон регулирования напряжения, включающая в себя сварной каркас, защитные снабберные цепи и выравнивающие резисторы, блоки формирования управляющих импульсов и блоки импульсных трансформаторов, клеммные блоки и клеммные разъемы, блоки тиристоров и токопроводящие шины, контакты для подключения переменного тока тяговой сети и контакты для подключения постоянного тока для питания тяговых электродвигателей, отличающаяся тем, что с одной или с обеих фронтальных сторон преобразователя по центру, либо слева или справа от центра расположены элементы разрядного плеча, шунтирующего цепь выпрямленного тока электропривода и содержащего одну или несколько параллельных ветвей, каждая из которых состоит из одного или нескольких диодов, подключенных своими катодами к катодной шине преобразователя, и одного или нескольких транзисторов либо других полностью управляемых электронных ключей, подключенных своими коллекторами к анодной шине преобразователя.
RU2019142069A 2019-12-16 2019-12-16 Выпрямительно-инверторный преобразователь электроподвижного состава и способ его управления в режиме рекуперативного торможения RU2728891C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019142069A RU2728891C1 (ru) 2019-12-16 2019-12-16 Выпрямительно-инверторный преобразователь электроподвижного состава и способ его управления в режиме рекуперативного торможения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019142069A RU2728891C1 (ru) 2019-12-16 2019-12-16 Выпрямительно-инверторный преобразователь электроподвижного состава и способ его управления в режиме рекуперативного торможения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2728891C1 true RU2728891C1 (ru) 2020-07-31

Family

ID=72085876

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019142069A RU2728891C1 (ru) 2019-12-16 2019-12-16 Выпрямительно-инверторный преобразователь электроподвижного состава и способ его управления в режиме рекуперативного торможения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2728891C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0170289B1 (de) * 1984-08-03 1990-11-07 S O "Bulgarski Darjavni Jelesnizi" Speiseanordnung für wechselstromgespeiste Gleichstromzugantriebe
RU2561913C1 (ru) * 2014-04-18 2015-09-10 Станислав Васильевич Власьевский Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока
RU176455U1 (ru) * 2017-01-09 2018-01-19 Открытое акционерное общество "Электровыпрямитель" Силовой выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства
RU2689786C1 (ru) * 2018-06-13 2019-05-29 Общество с ограниченной ответственностью "Транспортные прогрессивные технологии" Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0170289B1 (de) * 1984-08-03 1990-11-07 S O "Bulgarski Darjavni Jelesnizi" Speiseanordnung für wechselstromgespeiste Gleichstromzugantriebe
RU2561913C1 (ru) * 2014-04-18 2015-09-10 Станислав Васильевич Власьевский Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока
RU176455U1 (ru) * 2017-01-09 2018-01-19 Открытое акционерное общество "Электровыпрямитель" Силовой выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства
RU2689786C1 (ru) * 2018-06-13 2019-05-29 Общество с ограниченной ответственностью "Транспортные прогрессивные технологии" Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2467891C2 (ru) Способ питания резервных вспомогательных потребителей, вспомогательный преобразователь и железнодорожное транспортное средство для осуществления способа
Baruschka et al. Comparison of cascaded H-bridge and modular multilevel converters for BESS application
Merlin et al. A new hybrid multi-level voltage-source converter with DC fault blocking capability
Trainer et al. A new hybrid voltage-sourced converter for HVDC power transmission
KR102380810B1 (ko) 전기 차량을 위한 온 보드 양방향성 ac 고속 충전기
WO2015176549A1 (zh) 一种三极柔性直流输电系统和方法
EP3776797B1 (en) Charging station for electric vehicles
CN106300414B (zh) 一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置
RU2561913C1 (ru) Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока
Kaleybar et al. A two-phase three-wire quasi-Z-source based railway power quality compensator for AC rail networks
Lopatkin et al. Bi-directional high-voltage DC-DC-converter for advanced railway locomotives
RU192613U1 (ru) Устройство для повышения коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя однофазного переменного тока
RU176455U1 (ru) Силовой выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства
Dobrucký et al. Power Electronic Two-phase Orthogonal System with HF Input and
RU2728891C1 (ru) Выпрямительно-инверторный преобразователь электроподвижного состава и способ его управления в режиме рекуперативного торможения
WO2018091065A1 (en) A modular multilevel converter for use in a high voltage traction system
Kaleybar et al. Smart Hybrid Electric Railway Grids: A Comparative Study of Architectures
Kebede et al. Power electronics converter application in traction power supply system
Leander et al. A concept for an HVDC traction system
RU2716493C1 (ru) Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока
Ismail et al. A review of recent HVDC tapping topologies
RU68195U1 (ru) Компенсатор реактивной мощности
CN114123808A (zh) 一种单三相兼容交直交牵引变流器
RU2689786C1 (ru) Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока
CN113895241A (zh) 一种三相动车组牵引传动供电系统