Устройство для преобразования формы напряжения потребителя

Использование: для уменьшения пульсаций напряжения потребителей, имеющих в своем составе выпрямительно-инверторные преобразователи. Технический результат заключается в существенном увеличении мощности и средней наработки на отказ. Устройство содержит канал регулирования, источник импульсов, последовательно включенные датчик напряжения, устройство вычисления переменной составляющей напряжения, элемент сравнения, дельта-модулятор и четырехквадрантный преобразователь. Канал регулирования включает в себя последовательно соединенные преобразовательный трансформатор, тиристорный мост, усилитель и распределитель импульсов. Вход преобразовательного трансформатора подключен к сети, а выход источника импульсов связан с входом распределителя импульсов. Вход датчика напряжения подключен параллельно первичной обмотке преобразовательного трансформатора, а его выход - к входу устройства вычисления переменной составляющей напряжения и к второму входу элемента сравнения, выход четырехквадрантного преобразователя связан с вторичной обмоткой преобразовательного трансформатора. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для уменьшения пульсаций напряжения потребителей, имеющих в своем составе выпрямительно-инверторные преобразователи, в частности, на электроподвижном составе переменного тока.

В настоящее время электровозы переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения работают со значительными пульсациями напряжения на токоприемнике. Работа электровоза с пульсациями напряжения приводит к усилению мешающего воздействия на расположенные вблизи железной дороги устройства приема и передачи электромагнитных сигналов. При искажениях формы кривой напряжения на токоприемнике наблюдается нестабильная работа электронной аппаратуры управления электровоза и уменьшается средняя наработка на отказ. Сущность искажения напряжения заключается в процессе коммутации в преобразователе электровоза. В момент начала коммутации часть обмоток тягового трансформатора начинает работать в режиме короткого замыкания. Это приводит к резкому уменьшению напряжения на токоприемнике электровоза. Однако мгновенного уменьшения напряжения не происходит, так как вследствие наличия в тяговой сети распределенной емкости возникают свободные колебания напряжения. Аналогичные процессы происходят в момент окончания коммутации, когда заканчивается короткое замыкание обмоток трансформатора, в результате чего возникают свободные послекоммутационные колебания напряжения. Процессы коммутации вентилей сопровождаются возникновением не только свободных колебаний напряжения, но и токов.

Уменьшение искажения формы напряжения на токоприемнике достигается, например, с помощью разнофазного управления двумя преобразователями электровоза. Вместе с тем, способ разнофазного управления не решает проблемы коренного улучшения формы напряжения на токоприемнике, в котором остаются высокочастотные пульсации. Остаточные пульсации напряжения приводят к снижению средней наработки на отказ, что, в свою очередь, снижает устойчивость работы аппаратуры управления электровоза.

Известно устройство для преобразования формы напряжения на токоприемнике электровоза, основанное на компенсации пульсаций напряжения, которая достигается методом разнофазного управления с постоянной величиной задержки. Устройство установлено на электровозе ВЛ85 001 [1] и содержит два канала регулирования, каждый из которых состоит из преобразовательного трансформатора, управляемого выпрямителя, усилителя и распределителя импульсов, а также источник управляющих импульсов и блок задержки.

Управляемые выпрямители соединены с сетью через преобразовательные трансформаторы, а их выходы связаны с последовательно включенными усилителями и распределителями импульсов. Источник управляющих импульсов соединен с входом распределителя импульсов первого канала и с входом блока задержки, выход которого связан с входом распределителя импульсов второго канала.

Устройство работает следующим образом. Импульсы управления поступают на управляемый выпрямитель первого канала непосредственно, а на управляемый выпрямитель второго канала - через блок фиксированной задержки. Блок задержки формирует импульс управления вторым управляемым выпрямителем, при этом задержка в формировании импульсов управления первым и вторым управляемыми выпрямителями должна равняться полупериоду высокочастотных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза. В этом случае достигается демпфирование коммутационных колебаний напряжения.

Устройство обеспечивает сдвиг во времени начала и, соответственно, окончания коммутации преобразователей различных каналов регулирования. Этот сдвиг достигается путем задержки импульсов управления, поступающих на вход распределителя импульсов одного из каналов регулирования, с помощью блока задержки. Смещенные по времени импульсы управления, усиленные усилителями, поступают на тиристоры управляемых выпрямителей смежных каналов регулирования. Задержка открытия тиристоров одного из каналов регулирования позволяет уменьшить скачок принужденного напряжения и амплитуду свободных колебаний тока и напряжения на токоприемнике электровоза.

Таким образом, задержка импульсов управления существенно снижает амплитуду послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза. В этом случае при определенном расположении электровоза на линии коэффициент формы кривой питающего напряжения приближается к коэффициенту формы синусоиды, что увеличивает устойчивость работы аппаратуры управления.

Другим достоинством устройства является повышение коэффициента полезного действия электровоза. Это обусловлено тем, что компенсация пульсаций напряжения на токоприемнике вызывает уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения на тяговых двигателях электровоза. Уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения приводит к снижению потерь напряжения и, соответственно, к повышению уровня напряжения на двигателях электровоза. Повышение напряжения на двигателях вызывает увеличение мощности электровоза и, соответственно, повышение его коэффициента полезного действия.

Однако принятая в устройстве постоянная величина задержки импульсов не позволяет полностью компенсировать развитие коммутационных колебаний тока и напряжения. Это связано с тем, что частота колебаний напряжений после начала и окончания коммутации определяется меняющимся удалением электровоза от шин тяговой подстанции и параметрами тяговой сети. В этой связи оптимальная величина задержки, принятая в одних условиях, не является таковой в других условиях. Принятая в устройстве задержка в 8 эл. град. является оптимальной только при нахождении электровоза на расстоянии около 50 км от тяговой подстанции. При другом удалении электровоза от шин тяговой подстанции в кривой питающего напряжения присутствуют колебания, вызванные нескомпенсированным коммутационным напряжением. Эти колебания напряжения уменьшают среднюю наработку на отказ и снижают устойчивость работы оборудования электровоза.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство для преобразования формы напряжения на токоприемнике электровоза, основанное на компенсации пульсаций напряжения, которая достигается методом разно-фазного управления с регулируемой величиной угла задержки [2], осуществляющее управление с регулируемой задержкой одним из двух преобразователей.

Устройство для управления двумя преобразователями состоит из двух каналов регулирования, одного канала измерения, источника импульсов и формирователя импульсов.

В каждый канал регулирования входят преобразовательный трансформатор, тиристорный мост, усилитель и распределитель импульсов. Канал измерения включает в себя трансформатор напряжения, фильтр и устройство вычисления среднеквадратического отклонения.

В каждом из каналов регулирования последовательно соединены преобразовательный трансформатор, тиристорный мост, усилитель и распределитель импульсов.

В канале измерения трансформатор напряжения выходом связан с входом фильтра и первым входом устройства вычисления среднеквадратического отклонения, второй вход которого подключен к выходу фильтра.

Источник импульсов выходом соединен с входом распределителя импульсов первого канала и первым входом формирователя импульсов, выход которого связан с входом распределителя импульсов второго канала. Формирователь импульсов своим вторым входом соединен с выходом устройства вычисления среднеквадратического отклонения. Входы преобразовательных трансформаторов и трансформатора напряжения подключены к сети.

Устройство работает следующим образом. Источник импульсов генерирует импульсы управления, которые через распределитель импульсов и усилитель поступают на управляющие электроды тиристоров тиристорного моста первого канала регулирования и, таким образом, задают его работу. Одновременно импульсы управления поступают на первый вход формирователя импульсов, осуществляющего задержку управляющих импульсов. С помощью трансформатора напряжения и фильтра выделяется сигнал U₁, пропорциональный первой гармонике сетевого напряжения. При этом фаза этого напряжения совпадает с точками естественного перехода через ноль сетевого напряжения. В этом случае устройство вычисления среднеквадратического отклонения определяет степень отклонения сетевого напряжения от его первой гармоники. Сигнал с выхода устройства вычисления среднеквадратического отклонения поступает на второй вход формирователя импульсов, задавая угол задержки импульсов управления вторым каналом регулирования. Формирователь импульсов регулирует угол задержки, обеспечивающий минимальную величину среднеквадратического отклонения напряжения на токоприемнике электровоза.

Таким образом, формирование угла задержки открытия тиристоров по величине среднеквадратического отклонения обеспечивает максимально возможное приближение кривой напряжения на токоприемнике электровоза к его первой гармонике и, соответственно, наиболее эффективную компенсацию послекоммутационных колебаний напряжения. Улучшенная форма напряжения на токоприемнике позволяет повысить устойчивость и надежность работы оборудования электровоза. Применение устройства на электровозе позволило увеличить среднюю наработку на отказ на 6,8%.

Кроме того, компенсация высокочастотных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза приводит к повышению коэффициента полезного действия электровоза. Это обусловлено тем, что компенсация колебаний напряжения на токоприемнике вызывает уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения на тяговых двигателей электровоза. Уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения приводит к снижению потерь напряжения и, соответственно, к повышению уровня напряжения на двигателях электровоза. Повышение напряжения на двигателях вызывает увеличение мощности электровоза и, соответственно, повышение его коэффициента полезного действия.

Однако даже регулируемая величина задержки при разнофазном регулировании не позволяет полностью устранить развитие высокочастотных колебаний напряжения. Это связано с тем, что компенсация высокочастотных колебаний напряжения начинается только во втором его полупериоде. При этом колебания напряжения, сгенерированные первым каналом регулирования, остаются без изменения. Затухающий характер свободных колебаний напряжения, а также сдвиг по времени высокочастотных колебаний первого и второго преобразователей не позволяет осуществить их полную компенсацию, поэтому на токоприемнике электровоза складываются различающиеся по величине высокочастотные гармоники напряжения. Эта разность становится тем более заметной, чем больше декремент затухания высокочастотных составляющих. Нескомпенсированные высокочастотные пульсации напряжения уменьшают среднюю наработку на отказ и снижают устойчивость работы оборудования электровоза.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для преобразования формы напряжения потребителя, обеспечивающего максимальное увеличение мощности электровоза и средней наработки на отказ, а также повышение устойчивости его работы благодаря отсутствию высокочастотных колебаний напряжения, обусловленных коммутацией, за счет компенсации высокочастотных пульсаций тока.

Для решения поставленной задачи в известное устройство для управления двумя преобразователями, содержащее канал регулирования, включающий в себя последовательно соединенные преобразовательный трансформатор, тиристорый мост, усилитель и распределитель импульсов, а также источник импульсов, при этом вход преобразовательного трансформатора подключен к сети, а выход источника импульсов связан с входом распределителя импульсов канала регулирования, дополнительно введены последовательно включенные датчик напряжения, устройство вычисления переменной составляющей напряжения, элемент сравнения, дельта-модулятор, четырехквадрантный преобразователь, при этом вход датчика напряжения подключен параллельно первичной обмотке преобразовательного трансформатора, а его выход - к входу устройства вычисления переменной составляющей напряжения и к второму входу элемента сравнения, выход четырехквадрантного преобразователя связан с вторичной обмоткой преобразовательного трансформатора.

Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».

Благодаря введению в устройство датчика напряжения, устройства вычисления переменной составляющей напряжения, элемента сравнения, дельта-модулятора и четырехквадрантного преобразователя и новому взаимодействию элементов в устройстве в целом максимально увеличивается мощность электровоза, а также средняя наработка на отказ и, как следствие, повышается устойчивость работы электронной аппаратуры управления электровоза.

Это обусловлено тем, что благодаря совокупности отличительных признаков в первичной обмотке преобразовательного трансформатора формируется высокочастотная гармоника тока. Эта гармоника тока направлена встречно свободным высокочастотным колебаниям тока, возникающим в первичной обмотке преобразовательного трансформатора во время коммутации. За счет противофазного протекания этих токов происходит компенсация высокочастотных колебаний тока в сети. Отсутствие высокочастотных колебаний тока приводит к уменьшению до нуля высокочастотных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза и, как следствие, улучшаются условия работы электронного оборудования. При этом увеличивается средняя наработка на отказ и повышается устойчивость работы оборудования электровоза.

Одновременно с этим полная компенсация высокочастотных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза приводит к уменьшению пульсаций выпрямленного напряжения на тяговых двигателях электровоза. Уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения приводит к снижению потерь напряжения и, соответственно, к повышению уровня напряжения на двигателях электровоза. Повышение напряжения на двигателях вызывает максимальное увеличение мощности электровоза и, соответственно, повышение его коэффициента полезного действия.

Компенсация высокочастотных пульсаций напряжения в первичной обмотке преобразовательного трансформатора, приводящая к максимальному повышению мощности и безотказной работе электровоза, логически вытекает из существующего уровня знаний.

Однако компенсация высокочастотных пульсаций напряжения в первичной обмотке преобразовательного трансформатора именно за счет компенсации высокочастотных пульсаций тока, достигаемая включением в известное устройство существенных отличительных признаков, логически не вытекает из существующего уровня техники.

Наличие новой причинно-следственной связи «существенный отличительный признак - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для преобразования формы напряжения потребителя.

На фиг.2 представлена форма напряжения на токоприемнике штатного электровоза, полученная в результате математического моделирования.

На фиг.3 представлена форма напряжения на токоприемнике электровоза, оборудованного заявляемым устройством. Кривая напряжения получена в результате математического моделирования.

Устройство для преобразования формы напряжения потребителя содержит канал регулирования 1, источник импульсов 2, датчик напряжения 3, устройство вычисления переменной составляющей напряжения 4, элемент сравнения 5, дельта-модулятор 6 и четырехквадрантный преобразователь 7. Канал регулирования содержит последовательно соединенные преобразовательный трансформатор 8, тиристорный мост 9, усилитель 10 и распределитель импульсов 11. Первичная обмотка преобразовательного трансформатора 8 канала регулирования подключена к сети. Вход распределителя импульсов 11 канала регулирования связан с выходом источника импульсов 2. Вход датчика напряжения 3 подключен к первичной обмотке преобразовательного трансформатора 8, а его выход связан с устройством вычисления переменной составляющей напряжения 4 и вторым входом элемента сравнения 5. Выход устройства вычисления переменной составляющей напряжения 4 соединен с первым входом элемента сравнения 5. Выход элемента сравнения 5 соединен с входом дельта-модулятора 6, выход которого связан с входом четырехквадрантного преобразователя 7. Выход четырехквадрантного преобразователя 7 подключен к вторичной обмотке преобразовательного трансформатора 8.

Устройство для преобразования формы напряжения потребителя реализовано на базе магистрального электровоза ВЛ85. Преобразовательный трансформатор 8 является тяговым трансформатором ОНДЦЭ-10000/25-82 УХЛ 2 электровоза ВЛ85. Тиристорный мост 9 представляет собой полностью управляемый восьмиплечевой тиристорный преобразователь ВИП-4000УХЛ2. Устройство вычисления переменной составляющей напряжения 4 выполнено по описанию к патенту [3]. Четырехквадрантный преобразователь 7 выполнен на базе IGBT-транзисторов FS 300 R 12 KF4. Элемент сравнения 5 и дельта-модулятор 6 реализованы программно в PIC-контроллере 16F877.

Устройство работает следующим образом. Источник импульсов 2 генерирует управляющие импульсы, которые через распределитель импульсов 11 и усилитель 10 поступают на управляющие электроды тиристоров тиристорного моста 9. Переменное напряжение подается на тиристорный мост 9 со стороны вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 8. Тиристорный мост 9 осуществляет выпрямление переменного напряжения, регулируемое по величине постоянное напряжение с выхода тиристорного моста 9 подается на двигатели электровоза (на схеме не показаны). Датчик напряжения 3 контролирует форму напряжения на первичной обмотке преобразовательного трансформатора 8 (токоприемнике электровоза), устройство вычисления переменной составляющей напряжения 4 выделяет из него первую гармоническую составляющую, которая совпадает с моментами естественного перехода напряжения через ноль. Элемент сравнения 5 вычисляет разность текущего значения напряжения на токоприемнике и его первой гармоники, в результате этого на выходе элемента сравнения 5 формируется сигнал, пропорциональный высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике электровоза. Этот сигнал, преобразованный дельта-модулятором 6, поступает на вход четырехквадрантного преобразователя 7, который генерирует во вторичную обмотку преобразовательного трансформатора 8 высокочастотную гармонику тока, пропорциональную высокочастотным пульсациям напряжения на токоприемнике. Высокочастотная гармоника тока передается в первичную обмотку преобразовательного трансформатора 8, где она противофазно складывается со свободными высокочастотными колебаниями тока, возникающими во время коммутации. Таким образом, сгенерированные устройством гармоники тока приводят к компенсации свободных колебаний тока и, соответственно, напряжения на токоприемнике электровоза. Это создает условия, при которых не происходит развития процесса свободных колебаний тока и напряжения в первичной обмотке преобразовательного трансформатора (токоприемнике) электровоза. Компенсация высокочастотных пульсаций напряжения в первичной обмотке преобразовательного трансформатора приводит также к максимальному повышению мощности и безотказной работе электровоза.

Из сравнительного анализа фиг.2 и 3 следует, что применение заявляемого устройства позволяет значительно улучшить форму напряжения на токоприемнике электровоза (фиг.3) по сравнению со штатным электровозом (фиг.2). На фиг.3 отсутствуют высокочастотные пульсации напряжения, вызванные процессом коммутации в преобразователе электровоза. За счет этого напряжение на токоприемнике электровоза принимает синусоидальный вид.

Использование устройства на штатном электровозе ВЛ85 показало, что средняя наработка на отказ увеличилась на 12,3%, по сравнению с прототипом увеличение этого показателя составило 1,8 раза. При этом увеличение мощности по сравнению со штатным электровозом составило 4,8%.

Источники информации

1. Ю.М.Кулинич и др. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями. - Вестник ВНИИЖТ, 1986, №4.

2. А.с. №2148290. Устройство для управления двумя преобразователями. Ю.М.Кулинич. Опубл. в БИ №12 2000 г., МКИ 7, Н02J 3/02, 3/24.

3. А.с. №2118038. Формирователь синхронизирующих импульсов. Ю.М.Кулинич и В.В.Кравчук. Опубл. в БИ №23 1998 г., МКИ 6, Н02M 1/08.

Устройство для управления двумя преобразователями, содержащее канал регулирования, включающий в себя последовательно соединенные преобразовательный трансформатор, тиристорный мост, усилитель и распределитель импульсов, а также источник импульсов, при этом вход преобразовательного трансформатора подключен к сети, а выход источника импульсов связан с входом распределителя импульсов канала регулирования, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно включенные датчик напряжения, устройство вычисления переменной составляющей напряжения, элемент сравнения, дельта-модулятор, четырехквадрантный преобразователь, при этом вход датчика напряжения подключен параллельно первичной обмотке преобразовательного трансформатора, а его выход - к входу устройства вычисления переменной составляющей напряжения и к второму входу элемента сравнения, выход четырехквадрантного преобразователя связан с вторичной обмоткой преобразовательного трансформатора.