Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока может быть использован на электроподвижном составе, получающем питание от контактной сети переменного тока. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч и снижению потерь в тиристорных плечах, а также за счет повышения коэффициента мощности благодаря меньшему фазовому сдвигу между током и напряжением в первичной обмотке трансформатора. Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока содержит трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику питания, вторичная обмотка выполнена в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них, тиристорный мост, выполненный из параллельных по крайней мере четырех цепочек, каждая из которых содержит пару тиристорных плеч на основе тиристора, нагрузку и систему управления. Каждое тиристорное плечо содержит тиристор, ключ, резистор, диод, понижающий трансформатор и конденсатор. Анод и катод тиристора являются одноименными входами тиристорного плеча. Параллельно тиристору подключена цепь из последовательно соединенных ключа, первичной обмотки понижающего трансформатора и резистора. При этом первый вывод первичной обмотки понижающего трансформатора соединен с анодом тиристора, а крайний вывод конденсатора соединен с катодом тиристора. Между управляющим выводом и катодом тиристора подключена цепь из последовательно соединенных диода, ключа, вторичной обмотки понижающего трансформатора и резистора, при этом катод диода соединен с управляющим электродом тиристора, а крайний вывод резистора соединен с катодом тиристора. Управляющий электрод тиристора, а также управляющий вход ключа являются управляющими входами тиристорного плеча. Выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора, управляющие входы каждого тиристорного плеча соединены с соответствующими управляющими каналами системы управления. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано на электроподвижном составе, получающем питание от контактной сети переменного тока.

Эксплуатация тиристорных многозонных выпрямителей электроподвижного состава сопровождается их низкой энергоэффективностью за счет низких значений коэффициентов полезного действия и мощности, обусловленных дополнительными затратами энергии в схеме протекания тока и системе управления, а также большим фазовым сдвигом между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора.

Известен многозонный выпрямитель однофазного переменного тока, принцип работы которого основан на подключении к нагрузке различных секций вторичной обмотки трансформатора в определенные моменты времени в каждом полупериоде питающего напряжения [Плакс, А.В. Системы управления электрическим подвижным составом, учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 360 с].

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока содержит трансформатор, тиристорный мост, нагрузку и систему управления. Трансформатор имеет первичную обмотку, которая подключена к источнику питания, и вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них.

Тиристорный мост выполнен из параллельных, по крайней мере, четырех цепочек. Каждая цепочка содержит пару тиристорных плеч. Каждое тиристорное плечо представляет собой тиристор, анод которого является анодным входом тиристорного плеча, катод - его катодным входом, а управляющий электрод - его управляющим входом.

В каждой цепочке анод первого тиристорного плеча, соединенный с катодом второго тиристорного плеча, образует вход этой цепочки. Катод первого тиристорного плеча образует положительный выход цепочки, а анод второго тиристорного плеча - ее отрицательный выход. Положительные и отрицательные выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора.

Управляющий вход каждого тиристорного плеча соединен с соответствующим управляющим каналом системы управления. Устройство работает следующим образом.

Трансформатор питается однофазным переменным напряжением от источника питания и создает на секциях вторичной обмотки пониженное напряжение.

В системе управления в соответствии с алгоритмом управления создаются сигналы управления, которые в каждом полупериоде питающего напряжения подаются на управляющие входы заданных тиристорных плеч, открывая их тиристоры. Открытый тиристор свидетельствует об открытии его тиристорного плеча. Открытие тиристорных плеч приводит к подключению к нагрузке тех секций вторичной обмотки трансформатора, к которым подключены цепочки упомянутых тиристорных плеч. При этом полное напряжение соответствующих секций вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке тиристорными плечами, открытыми в начале полупериода питающего напряжения (сетевая коммутация), а неполное напряжение других секций вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке тиристорными плечами, открытыми в другие моменты времени (фазная коммутация)

В результате на нагрузке создается выпрямленное напряжение, которое складывается из двух частей: полного напряжения одних секций вторичной обмотки трансформатора, создающегося при сетевой коммутации, (основная часть) и неполного напряжения других его секций, создающегося при фазной коммутации, (дополнительная часть).

Для открытия тиристорных плеч при фазной коммутации на них подаются сигналы управления с заданной задержкой относительно начала полупериода питающего напряжения. Чем больше такая задержка открытия, тем меньшая часть напряжения соответствующей секции вторичной обмотки трансформатора добавится к напряжению нагрузки. Регулирование задержки открытия приводит к изменению уровня дополнительной части выпрямленного напряжения нагрузки.

Во время создания сигналов управления в каждом полупериоде питающего напряжения в системе управления затрачивается дополнительная энергия, объем которой определяется количеством открываемых тиристоров. Это приводит к поступлению на нагрузку только частичной энергии от источника без упомянутой дополнительной энергии, что приводит к снижению коэффициента полезного действия многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.

При смене полярности питающего напряжения ток нагрузки продолжает протекать через трансформатор до тех пор, пока не откроются новые тиристорные плечи. Открытие других тиристорных плеч в новом полупериоде питающего напряжения приводит к закрытию тиристорных плеч, открытых в предыдущем полупериоде, в результате чего ток в трансформаторе изменяет направление согласно полярности напряжения. Вследствие наличия задержки между сменой полярности питающего напряжения и изменением направления тока, имеется значительный фазовый сдвиг между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора. Это свидетельствует о значительном потреблении реактивной энергии многозонным выпрямителем однофазного переменного тока и, как следствие, снижении коэффициента мощности.

Достоинство известного многозонного выпрямителя однофазного переменного тока заключается в достаточной эффективности нагрузки за счет обеспечения плавного регулирования ее мощности.

Недостаток известного многозонного выпрямителя однофазного переменного тока заключается в его низкой энергоэффективности. Это обусловлено, во-первых, сниженным коэффициентом полезного действия вследствие дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч, а во-вторых, сниженным коэффициентом мощности за счет наличия фазового сдвига между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является многозонный выпрямитель однофазного переменного тока, принцип работы которого основан на подключении к нагрузке различных секций вторичной обмотки трансформатора в определенные моменты времени в каждом полупериоде питающего напряжения [Пат. 2668571 Российская Федерация, МПК Н02М 7/12 (2006.01). Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока / Кабалык Ю.С.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС). - №2017134622/2017; заявл. 03.10.2017; опубл. 02.10.2018, Бюл. №28].

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока содержит трансформатор, тиристорный мост, нагрузку и систему управления. Трансформатор имеет первичную обмотку, которая подключена к источнику питания, и вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них.

Тиристорный мост выполнен из параллельных, по крайней мере, четырех цепочек.

Каждая цепочка содержит пару тиристорных плеч. Каждое тиристорное плечо содержит тиристор, ключ, два резистора и два диода. Анод тиристора является анодным входом тиристорного плеча, катод тиристора - его катодным входом, а управляющий электрод тиристора - его первым управляющим входом. Параллельно тиристору подключена цепь из последовательно соединенных ключа, первого резистора, второго резистора и первого диода. При этом катод первого диода соединен с катодом тиристора, а крайний вывод ключа соединен с анодом тиристора. Точка соединения первого и второго резисторов соединена с анодом второго диода, катод которого соединен с управляющим электродом тиристора. Управляющий вход ключа является вторым управляющим входом тиристорного плеча.

В каждой цепочке анод первого тиристорного плеча, соединенный с катодом второго тиристорного плеча, образует вход этой цепочки.

Катод первого тиристорного плеча образует положительный выход цепочки, а анод второго тиристорного плеча - его отрицательный выход.

Положительные и отрицательные выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора.

Первый и второй управляющие входы каждого тиристорного плеча соединены с соответствующими управляющими каналами системы управления.

Устройство работает следующим образом.

Трансформатор питается однофазным переменным напряжением от источника питания и создает на секциях вторичной обмотки пониженное напряжение.

Система управления создает сигналы управления в соответствии с алгоритмом управления, которые поступают на управляющие входы заданных тиристорных плеч, открывая их тиристор. Открытый тиристор свидетельствует об открытии его тиристорного плеча. Открытые тиристорные плечи подключают к нагрузке те секции вторичной обмотки трансформатора, к которым подключены цепочки, содержащие эти тиристорные плечи.

При этом полное напряжение соответствующих секций вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке тиристорными плечами, открытыми в начале полупериода питающего напряжения (сетевая коммутация), а неполное напряжение других секций вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке тиристорными плечами, открытыми в другие моменты времени (фазная коммутация)

В результате на нагрузке создается выпрямленное напряжение, которое складывается из двух частей: полного напряжения одних секций вторичной обмотки трансформатора, создающегося при сетевой коммутации, (основная часть) и неполного напряжения других его секций, создающегося при фазной коммутации, (дополнительная часть).

Система управления в соответствии со своим алгоритмом с помощью сигналов управления открывает одни тиристорные плечи сразу после смены полярности питающего напряжения (сетевая коммутация), а другие тиристорные плечи - с некоторой задержкой (фазная коммутация). Регулирование моментов времени подачи сигналов управления при фазной коммутации приводит к соответствующей задержке открытия соответствующих тиристорных плеч относительно начала полупериода питающего напряжения. Чем больше такая задержка открытия, тем меньшая часть напряжения соответствующей секции вторичной обмотки трансформатора добавится к напряжению нагрузки. Открытие тиристорных плеч не в начале полупериода приводит к изменению уровня дополнительной части выпрямленного напряжения нагрузки.

Для открытия тиристорных плеч при сетевой коммутации система управления однократно подает сигнал на ключ этого плеча, который замыкается. В результате при появлении положительного напряжения на тиристорном плече это напряжение прикладывается к последовательно соединенным резисторам, и через них начинает протекать ток. Этот ток прямо пропорционален напряжению, прикладываемому к тиристорному плечу. Протекание тока по резисторам приводит к выделению на них энергии и к распределению между ними напряжения в соответствии с их номиналами. Часть этого тока резисторов будет протекать через управляющий электрод и катод тиристора, т.е. эта часть тока резисторов является током управления тиристора. По прошествии некоторого промежутка времени после начала полупериода напряжение на плече возрастает и ток управления достигает уровня, достаточного для открытия тиристора. В свою очередь, появление достаточного тока управления тиристора, а также наличие между его анодом и катодом положительного напряжения, приводит к его открытию. Таким образом, при появлении положительного напряжения на любом тиристорном плече тиристорного моста, в котором замкнут ключ, это плечо спустя некоторую временную задержку после начала полупериода, необходимую для нарастания тока управления, будет самопроизвольно открываться без необходимости создания дополнительных сигналов управления. При появлении отрицательного напряжения на таком плече диоды закроются и на резисторах будет отсутствовать напряжение, способное создать ток управления и открыть тиристор.

Для открытия тиристорных плеч при фазной коммутации система управления подает сигнал на управляющий электрод тиристора, благодаря чему он открывается.

Система управления во время создания сигналов управления затрачивает дополнительную энергию, объем которой определяется количеством открываемых тиристоров. Благодаря тому, что при сетевой коммутации соответствующие тиристорные плечи открываются самопроизвольно, то в системе управления не затрачивается энергия на их открытие. Вследствие этого снижается объем дополнительной энергии, которую система управления потребляет от источника питания и которая не расходуется полезно в нагрузке. В результате снижения такого непроизводительного потребления энергии повышается коэффициент полезного действия многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.

При смене полярности питающего напряжения изменяется полярность на выходе тиристорного моста, благодаря чему спустя некоторый промежуток времени после начала полупериода, необходимый для нарастания тока управления, открываются тиристоры тех тиристорных плеч, в которых замкнут ключ. При открытии этих тиристоров ток в трансформаторе начинает изменять свое направление. В результате ток в трансформаторе начинает изменять свое направление спустя некоторый промежуток времени, необходимый для нарастания тока управления, который меньше минимального угла открытия, который способна создать система управления. Это приводит к снижению фазового сдвига между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора и, как следствие, к снижению потребления реактивной энергии многозонным выпрямителем переменного однофазного тока и к повышению коэффициента мощности.

Достоинство известного многозонного выпрямителя однофазного переменного тока заключается в повышении его энергоэффективности за счет повышения коэффициента мощности вследствие снижения фазового сдвига между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора, а также в повышении коэффициента полезного действия за счет снижения дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления.

Однако энергоэффективность известного многозонного выпрямителя однофазного переменного тока остается недостаточной. Это обусловлено, во-первых, сниженным коэффициентом полезного действия, вследствие выделения энергии на резисторах тиристорного плеча при его открытии во время сетевой коммутации, а во-вторых, сниженным коэффициентом мощности, вследствие наличия некоторой задержки по времени между сменой полярности питающего напряжения и изменением направления тока в трансформаторе, обусловленной необходимостью нарастания тока управления тиристора до требуемого уровня.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке многозонного выпрямителя однофазного переменного тока, повышающего энергоэффективность за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению выделения энергии на резисторах тиристорных плеч при их открытии во время сетевой коммутации, а также за счет повышения коэффициента мощности благодаря снижению задержки между сменой полярности питающего напряжения и изменением направления тока в трансформаторе.

Для решения поставленной задачи в многозонном выпрямителе однофазного переменного тока, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику питания, вторичная обмотка выполнена в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них, тиристорный мост, выполненный из параллельных, по крайней мере, четырех цепочек, каждая из которых содержит пару тиристорных плеч на основе тиристора, нагрузку и систему управления, при этом анод тиристора каждого тиристорного плеча является анодным входом тиристорного плеча, катод - его катодным входом, а управляющий электрод - первым его управляющим входом, выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора, управляющий вход каждого тиристорного плеча соединен с соответствующим управляющим каналом системы управления, в каждое тиристорное плечо дополнительно введены ключ, понижающий трансформатор, конденсатор, резистор и диод, при этом цепь из последовательно соединенных первичной обмотки понижающего трансформатора и конденсатора подключена параллельно тиристору, первый вывод первичной обмотки понижающего трансформатора соединен с анодом тиристора, а крайний вывод конденсатора соединен с катодом тиристора, между управляющим выводом и катодом тиристора подключена цепь из последовательно соединенных диода, ключа, вторичной обмотки понижающего трансформатора и резистора, при этом катод диода соединен с управляющим электродом тиристора, а крайний вывод резистора соединен с катодом тиристора, а управляющий вход ключа является вторым управляющим входом тиристорного плеча.

Совокупность существенных признаков заявляемого решения отличается от совокупности существенных признаков прототипа введением в каждое тиристорное плечо понижающего трансформатора и конденсатора, при этом цепь из последовательно соединенных первичной обмотки понижающего трансформатора и конденсатора подключена параллельно тиристору, первый вывод первичной обмотки понижающего трансформатора соединен с анодом тиристора, а крайний вывод конденсатора соединен с катодом тиристора, между управляющим выводом и катодом тиристора подключена цепь из последовательно соединенных диода, ключа, вторичной обмотки понижающего трансформатора и резистора, при этом катод диода соединен с управляющим электродом тиристора, а крайний вывод резистора соединен с катодом тиристора, а управляющий вход ключа является вторым управляющим входом тиристорного плеча.

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

Введение в каждое тиристорное плечо понижающего трансформатора и конденсатора с образованием новых взаимосвязей между ними и другими элементами приводит к повышению энергоэффективности за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии при открытии тиристоров, а также за счет повышения коэффициента мощности благодаря снижению фазового сдвига между током и напряжением в первичной обмотке трансформатора.

Это обусловлено тем, что при замкнутом ключе положительное напряжение на тиристоре понижается в понижающем трансформаторе и передается в управляющую цепь тиристора. Благодаря наличию конденсатора, соединенного последовательно с первичной обмоткой понижающего трансформатора, напряжение в цепи управления тиристором опережает напряжение между его анодом и катодом, благодаря чему при появлении положительного напряжения на тиристоре по его управляющему электроду уже протекает ток управления, достаточный для его открытию. Таким образом, при появлении положительного напряжения на тиристорном плече, у которого замкнут ключ, оно самопроизвольно откроется без подачи сигналов управления от системы управления и без задержки времени, необходимой для нарастания тока управления.

В результате открытие тиристорных плеч происходит без подачи потерь энергии в резисторах каждого плеча позволяет повысить коэффициент полезного действия многозонного выпрямителя однофазного переменного тока, а снижение сдвига между током и напряжением в первичной обмотке трансформатора приводит к повышению коэффициента мощности.

Причинно-следственная связь «понижающего трансформатора и конденсатора с образованием новых взаимосвязей между ними приводит к повышении энергоэффективности за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии при создании тока управления для всех тиристоров тиристорных плеч, а также повышения коэффициента мощности благодаря исключению задержки времени на создание тока управления тиристора» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока представлен на фигурах, подтверждающих его работоспособность и «промышленную применимость».

На фиг. 1 представлена схема многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.

На фиг. 2 представлена схема тиристорного плеча многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока основан на подключении к нагрузке различных секций вторичной обмотки трансформатора в определенные моменты времени в каждом полупериоде питающего напряжения.

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока содержит трансформатор 1, тиристорный мост 2, нагрузку 3 и систему управления 4.

Трансформатор 1 имеет первичную обмотку, которая подключена к источнику питания (на фиг. не показан), и вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких последовательно соединенных секций 5, 6, 7 с выводами от каждой из них.

Тиристорный мост 2 выполнен из параллельных, по крайней мере, четырех цепочек.

Каждая цепочка содержит пару 8-9, 10-11, 12-13, 14-15 тиристорных плеч.

Каждое тиристорное плечо 8-15 содержит тиристор 16, ключ 17, резистор 18, диод 19, понижающий трансформатор 20 и конденсатор 21. Анод тиристора 16 является анодным входом тиристорного плеча, катод тиристора - его катодным входом, а управляющий электрод тиристора - его первым управляющим входом.

Параллельно тиристору 16 подключена цепь из последовательно соединенных ключа 17, первичной обмотки понижающего трансформатора 20 и резистора 18. При этом первый вывод первичной обмотки понижающего трансформатора 20 соединен с анодом тиристора 16, а крайний вывод конденсатора соединен с катодом тиристора 16.

Между управляющим выводом и катодом тиристора 16 подключена цепь из последовательно соединенных диода 19, ключа 17, вторичной обмотки понижающего трансформатора 20 и резистора 18, при этом катод диода 19 соединен с управляющим электродом тиристора 16, а крайний вывод резистора 18 соединен с катодом тиристора 16, а управляющий вход ключа 17 является вторым управляющим входом тиристорного плеча.

Управляющий вход ключа 17 является вторым управляющим входом тиристорного плеча.

В каждой цепочке анод первого тиристорного плеча, соединенный с катодом второго тиристорного плеча, образует вход этой цепочки.

Катод первого тиристорного плеча образует положительный выход цепочки, а анод второго тиристорного плеча - его отрицательный выход.

Положительные и отрицательные выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки 3, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора 1.

Первый и второй управляющие входы каждого тиристорного плеча соединены с соответствующими управляющими каналами системы управления 4.

Устройство работает следующим образом.

Трансформатор 1 питается однофазным переменным напряжением от источника питания и создает на секциях 5, 6, 7 вторичной обмотки пониженное напряжение.

Система управления 4 создает сигналы управления в соответствии с алгоритмом управления, которые поступают на управляющие входы заданных тиристорных плеч 8-15, открывая их тиристор 16. Открытый тиристор 16 свидетельствует об открытии его тиристорного плеча. Открытые тиристорные плечи подключают к нагрузке 3 те секции вторичной обмотки трансформатора 1, к которым подключены цепочки, содержащие эти тиристорные плечи.

При этом полное напряжение соответствующих секций вторичной обмотки трансформатора 1 прикладывается к нагрузке 3 тиристорными плечами, открытыми в начале полупериода питающего напряжения (сетевая коммутация), а неполное напряжение других секций вторичной обмотки трансформатора 1 прикладывается к нагрузке 3 тиристорными плечами, открытыми в другие моменты времени (фазная коммутация)

В результате на нагрузке 3 создается выпрямленное напряжение, которое складывается из двух частей: полного напряжения одних секций вторичной обмотки трансформатора, создающегося при сетевой коммутации, (основная часть) и неполного напряжения других его секций, создающегося при фазной коммутации, (дополнительная часть).

Система управления 4 в соответствии со своим алгоритмом с помощью сигналов управления открывает одни тиристорные плечи сразу после смены полярности питающего напряжения (сетевая коммутация), а другие тиристорные плечи - с некоторой задержкой (фазная коммутация). Регулирование моментов времени подачи сигналов управления при фазной коммутации приводит к соответствующей задержке открытия соответствующих тиристорных плеч относительно начала полупериода питающего наряжения. Чем больше такая задержка открытия, тем меньшая часть напряжения соответствующей секции вторичной обмотки трансформатора 1 добавится к напряжению нагрузки 3. Открытие тиристорных плеч не в начале полупериода приводит к изменению уровня дополнительной части выпрямленного напряжения нагрузки 3.

Например, при открытии в начале полупериода тиристорных плеч 9 и 10 к нагрузке 3 приложится напряжение секции 5 вторичной обмотки тягового трансформатора 1. Если в этом же полупериоде с некоторой задержкой открыть тиристорное плечо 12, то к нагрузке дополнительно прибавится часть напряжения секции 6 вторичной обмотки трансформатора 1. Во втором полупериоде для приложения к нагрузке 3 напряжения секции 5 необходимо открыть тиристорные плечи 8 и 11, а для дополнительного прибавления к нагрузке части напряжения секции 6 - необходимо открыть тиристорное плечо 13. Таким образом, изменяя момент открытия тиристорных плеч 12 и 13 можно регулировать выпрямленное напряжение на нагрузке в пределах между полным напряжением секции 5 и полным напряжением двух секций - 5 и 6.

Для открытия тиристорных плеч при сетевой коммутации система управления 4 однократно подает сигнал на ключ 17 этого плеча, который замыкается. В результате при появлении положительного напряжения на тиристорном плече это напряжение прикладывается к последовательно соединенным первичной обмотке понижающего трансформатора 20 и конденсатору 21. При положительном напряжении на тиристорном плече напряжение на вторичной обмотке понижающего трансформатора 20 будет положительным для диода 19 и он будет пропускать ток. Из-за наличия емкости конденсатора 21 ток в первичной обмотке понижающего трансформатора 20 будет опережать по фазе напряжение на этом тиристорном плече, в результате напряжение на вторичной обмотке понижающего трансформатора 20 также будет опережать по фазе напряжение на этом тиристорном плече. Поскольку вторичная обмотка понижающего трансформатора 20 через диод 19, ключ 17 и резистор 18 подключена между управляющим электродом и катодом тиристора 16, то ее ток будет током управления тиристора 16. В результате ток управления тиристором 16 всегда будет по фазе опережать напряжение на тиристорном плече, и к моменту появления положительного напряжения на тиристорном плече ток управления тиристором 16 уже достигнет требуемого уровня и откроет этот тиристор 16, что исключает задержку времени, необходимую для нарастания тока управления тиристором 16. Таким образом, при появлении положительного напряжения на любом тиристорном плече тиристорного моста 2, в котором замкнут ключ 17, это плечо будет самопроизвольно открываться без задержки времени, необходимой для нарастания тока управления тиристора. При появлении отрицательного напряжения на таком плече, на вторичной обмотке понижающего трансформатора 20 изменится полярность напряжения, что приведет к закрытию диода 19, и как следствие, к исключению тока управления тиристором 16, способного открыть тиристор 16.

Для открытия тиристорных плеч при фазной коммутации система управления 4 подает сигнал на управляющий электрод тиристора 16, благодаря чему он открывается.

Система управления 4 во время создания сигналов управления затрачивает дополнительную энергию, объем которой определяется количеством открываемых тиристоров. Благодаря тому, что при сетевой коммутации соответствующие тиристорные плечи открываются самопроизвольно, то в системе управления не затрачивается энергия на их открытие. Кроме того, поскольку параллельно тиристору не подключены резисторы, то в них не затрачивается дополнительная энергия. Вследствие этого снижается объем дополнительной энергии, которую система управления и тиристорное плечо потребляет от источника питания и которая не расходуется полезно в нагрузке 3. В результате снижения такого непроизводительного потребления энергии повышается коэффициент полезного действия многозонного выпрямителя однофазного переменного тока.

При смене полярности питающего напряжения изменяется полярность на выходе тиристорного моста, благодаря чему открываются тиристоры тех тиристорных плеч, в которых замкнут ключ 17, без задержки по времени, необходимой на нарастание тока управления. При открытии этих тиристоров ток в трансформаторе 1 начинает изменять свое направление. В результате смены полярности питающего напряжения ток во вторичной обмотке трансформатора 1 изменяет свое направление согласно полярности напряжения, что приводит к снижению фазового сдвига между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке трансформатора 1. Это свидетельствует о небольшом потреблении реактивной энергии многозонным выпрямителем переменного однофазного тока и, как следствие, высоком коэффициенте мощности.

В лабораториях кафедры «Локомотивы» ДВГУПС проводилось математическое моделирование заявляемого устройства и прототипа, которое показало, что кпд заявляемого многозонного выпрямителя однофазного переменного тока выше на 0,1% по сравнению с прототипом, а коэффициент мощности выше на 0,05% - 0,08% по сравнению с прототипом при различных режимах регулирования.

Использование заявляемого устройства повышает его энергоэффективность за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч и снижению потерь в тиристорных плечах, а также за счет повышения коэффициента мощности благодаря меньшему фазовому сдвигу между током и напряжением в первичной обмотке трансформатора.

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику питания, вторичная обмотка выполнена в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них, тиристорный мост, выполненный из параллельных по крайней мере четырех цепочек, каждая из которых содержит пару тиристорных плеч на основе тиристора, нагрузку и систему управления, при этом анод тиристора каждого тиристорного плеча является анодным входом тиристорного плеча, катод - его катодным входом, а управляющий электрод - первым его управляющим входом, выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора, управляющий вход каждого тиристорного плеча соединен с соответствующим управляющим каналом системы управления, отличающийся тем, что в каждое тиристорное плечо дополнительно введены ключ, конденсатор, трансформатор, резистор и два диода, при этом цепь из последовательно соединенных ключа, первичной обмотки трансформатора и конденсатора подключена параллельно тиристору, а между управляющим электродом и катодом тиристора подключена цепь из последовательно соединенных диода, ключа, вторичной обмотки трансформатора и резистора, причем катод диода соединен с управляющим электродом тиристора, а управляющий вход ключа является вторым управляющим входом тиристорного плеча.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для преобразования переменного тока в постоянный. Техническим результатом является упрощение.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для электроподвижного состава переменного тока с плавным регулированием напряжения. Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности за счет уменьшения минимального угла открытия тиристоров.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области преобразовательной техники, и может быть использовано для питания промышленных потребителей и линий электропередач постоянного тока выпрямленным напряжением с двенадцатью пульсациями.

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к многофазным полупроводниковым выпрямителям, и применимо в линиях электропередач постоянного тока, а также для питания мощной промышленной нагрузки, например в металлургии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено в медицинских устройствах, используемых в сильных внешних магнитных полях. Техническим результатом является обеспечение изолированного низковольтного напряжения постоянного тока, достаточного для работы медицинского оборудования.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим электрическим преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение.

Изобретение относится к силовой электронике, а конкретно к выпрямителям трехфазной системы напряжений, и может быть использовано в качестве вторичного источника питания электроприводов, устройств информационной и силовой электроники.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения тока заряда конденсатора нагрузки, который, в частности, применяется для фильтрации выходного напряжения источника, предназначенного для питания различных потребителей постоянного тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано на электроподвижном составе, получающем питание от контактной сети однофазного переменного тока.

Изобретение относится к области электрифицированного железнодорожного транспорта и предназначено для электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных показателей системы питания.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления по меньшей мере двумя обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления по меньшей мере двумя обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для преобразования переменного тока в постоянный. Техническим результатом является упрощение.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, для управления преобразователем на электроподвижном составе переменного тока. Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности за счет применения нового способа формирования минимальных углов управления, не зависящих от искажения формы напряжения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в уменьшении потерь при переключении и пресечении выброса напряжения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразованию постоянного напряжения в переменное, и предназначено для устранения условия появления кратковременных импульсных электромагнитных помех при получении высоковольтного импульсного напряжения в индуктивной нагрузке.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах преобразования мощности. Техническим результатом является улучшение работы устройства за счет уменьшения потерь на коммутацию.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования электрической энергии. Технический результат – уменьшение потерь на переключение.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при передачи мощности постоянного тока высокого и сверхвысокого напряжения. Техническим результатом является обеспечение регулирования мощности разными клапанами при регулировании тока с помощью последовательных клапанов.

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока может быть использован на электроподвижном составе, получающем питание от контактной сети переменного тока. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч и снижению потерь в тиристорных плечах, а также за счет повышения коэффициента мощности благодаря меньшему фазовому сдвигу между током и напряжением в первичной обмотке трансформатора. Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока содержит трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику питания, вторичная обмотка выполнена в виде нескольких последовательно соединенных секций с выводами от каждой из них, тиристорный мост, выполненный из параллельных по крайней мере четырех цепочек, каждая из которых содержит пару тиристорных плеч на основе тиристора, нагрузку и систему управления. Каждое тиристорное плечо содержит тиристор, ключ, резистор, диод, понижающий трансформатор и конденсатор. Анод и катод тиристора являются одноименными входами тиристорного плеча. Параллельно тиристору подключена цепь из последовательно соединенных ключа, первичной обмотки понижающего трансформатора и резистора. При этом первый вывод первичной обмотки понижающего трансформатора соединен с анодом тиристора, а крайний вывод конденсатора соединен с катодом тиристора. Между управляющим выводом и катодом тиристора подключена цепь из последовательно соединенных диода, ключа, вторичной обмотки понижающего трансформатора и резистора, при этом катод диода соединен с управляющим электродом тиристора, а крайний вывод резистора соединен с катодом тиристора. Управляющий электрод тиристора, а также управляющий вход ключа являются управляющими входами тиристорного плеча. Выходы каждой цепочки подключены к соответствующим выводам нагрузки, а входы этих цепочек соединены с соответствующими выводами вторичной обмотки трансформатора, управляющие входы каждого тиристорного плеча соединены с соответствующими управляющими каналами системы управления. 2 ил.

Наверх