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

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 w_on в моменты времени ωt=π-w_on электрических градусов в первом полупериоде, ωt=2π-w_on электрических градусов во втором полупериоде. Отключение разрядного плеча осуществляют путем запирания транзисторов с помощью снятия импульсов управления с углом w_off в моменты времени ωt=w_off электрических градусов в первом полупериоде, ωt=π+w_off электрических градусов во втором полупериоде. При этом углы w_on и w_off 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.

 

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 = α_рег эл. град. в первом полупериоде и ωt = π + α_рег 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 - w_on эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π - w_on эл. град. во втором полупериоде, а также путем закрытия транзистора с помощью снятия с него импульса управления в моменты времени ωt = w_off эл. град. в первом полупериоде и ωt = π + w_off эл. град. во втором полупериоде напряжения тяговой сети. При этом углы управления w_on и w_off, 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 - w_on эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π - w_on эл. град. во втором полупериоде, а также путем закрытия транзистора с помощью снятия с него импульса управления в моменты времени ωt = w_off эл. град. в первом полупериоде и ωt = π + w_off 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 - w_on эл. град. в первом полупериоде и ωt = 2π - w_on эл. град. во втором полупериоде, а также путем закрытия транзистора с помощью снятия с него импульса управления в моменты времени ωt = w_off эл. град. в первом полупериоде и ωt = π + w_off 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 - w_on 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 + w_off 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 = α_рег эл. град. открывается тиристорное плечо 14 благодаря подаче на него отпирающего импульса управления α_рег. 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 - w_on 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 + w_off 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 - w_on 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.

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 w_on в моменты времени ωt=π-w_on электрических градусов в первом полупериоде, ωt=2π-w_on 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 w_off в моменты времени ωt=w_off электрических градусов в первом полупериоде, ωt=π+w_off электрических градусов во втором полупериоде, где углы w_on и w_off 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.