СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЗАВИСИМЫМ ИНВЕРТОРОМ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразовательной технике, преимущественно в многозонных инверторах электроподвижного состава (электровозах и электропоездах), получающего питание от контактной сети однофазного переменного тока.

Общеизвестно, что при работе зависимых многозонных инверторов на электровозах переменного тока в процессе основной коммутации тиристоров инвертора, на токоприемнике электровоза возникают коммутационные и послекоммутационные свободные колебания напряжения, которые искажают синусоидальную форму напряжения и ухудшают качество электрической энергии в контактной сети электрифицированных железных дорог.

Коммутационные свободные колебания возникают при переходе соответствующих тиристоров инвертора в начале коммутации, то есть в начале перехода тиристоров из режима проводимости в закрытое состояние или обратного перехода. Эти колебания присутствуют в кривой напряжения на интервале времени, соответствующем началу коммутации. Послекоммутационные свободные колебания возникают в момент окончания коммутации и присутствуют в кривой напряжения на послекоммутационном интервале времени.

Во время протекания основной коммутации тиристоров инвертора в индуктивности во вторичной обмотки тягового трансформатора происходит накопление электроэнергии. Эта электроэнергия находиться в обменном процессе между индуктивностью трансформатора электровоза и распределенной емкостью и индуктивностью контактной сети, вызывая переходные колебательные процессы в системе «контактная сеть - электровоз», в результате которых возникают высокочастотные свободные колебания на токоприемнике электровоза.

Кроме того, при работе зависимого инвертора среднее значение напряжения инвертора достаточно низкое, вследствие того, что в течении большой части периода напряжения инвертор потребляет электроэнергию из сети. Из-за этого среднее значение выпрямленного напряжения инвертора снижается, и является причиной низкого коэффициент мощности самого инвертора.

Известны различные пути повышения качества электрической энергии в контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока и коэффициента мощности зависимого инвертора. Одним из таких путей является уменьшение накопления электроэнергии во вторичной обмотке тягового трансформатора электровоза во время прохождения основной коммутации тиристоров зависимого инвертора за счет воздействия на протекание токов в плечах инвертора в процессе основной коммутации.

В свою очередь уменьшение накопления электроэнергии во вторичной обмотке тягового трансформатора приводит к уменьшению амплитуд высокочастотных свободных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза, вызванных основной коммутацией тиристоров зависимого многозонного инвертора и, как следствие, к снижению коэффициента искажения напряжения контактной сети и к улучшению качества электрической энергии. Также это приводит к увеличению среднего значения напряжения и повышению коэффициента мощности инвертора.

Однако даже улучшенное качество электрической энергии остается низким, так как форма напряжения в контактной сети отличается от синусоидальной формы, и имеет значительный коэффициент искажения синусоидальности напряжения.

Таким образом, проблема качества электрической энергии и низкого коэффициента мощности требует дальнейшего решения.

Известен способ управления зависимым четырехзонным инвертором однофазного переменного тока, основанный на преобразовании электрической энергии постоянного тока генераторов, в качестве которых работают тяговые двигатели электровоза в режиме рекуперативного торможения, в энергию однофазного переменного тока сети посредством многозонной мостовой схемы [Б.Н. Тихменев, В.А. Кучумов. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - С. 37-45].

Способ управления реализуется в зависимом четырехзонном инверторе однофазного переменного тока, который содержит многообмоточный трансформатор с первичной обмоткой и трехсекционной вторичной обмоткой, многозонную мостовую схему, сглаживающий реактор, генератор постоянного тока и балластный резистор.

Многозонная мостовая схема представляет собой четыре цепочки из пары последовательно соединенных управляемых вентилей, подсоединенных к минусовой и плюсовой шинам постоянного тока инвертора и образующих катодную и анодную группы.

Выводы трех секций вторичной обмотки трансформатора присоединены к средним точкам четырех цепочек, катодная группа управляемых вентилей соединена с минусовой шиной постоянного тока инвертора, анодная группа управляемых вентилей - с его плюсовой шиной постоянного тока.

Положительный полюс генератора через балластный резистор соединен с плюсовой шиной мостовой схемы, а отрицательный полюс генератора через сглаживающий реактор соединен с минусовой шиной мостовой схемы.

Инвертор имеет четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения.

Первая зона образована второй малой секцией вторичной обмотки трансформатора и цепочками из управляемых вентилей, которые своими средними точками присоединены к выводам этой секции.

Вторая зона образована двумя малыми секциями вторичной обмотки трансформатора и цепочками из управляемых вентилей, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.

Третья зона образована второй малой и большой секциями вторичной обмотки трансформатора и цепочками из управляемых вентилей, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.

Четвертая зона образована двумя малыми и большой секциями вторичной обмотки трансформатора и цепочками из управляемых вентилей, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.

Зависимый инвертор однофазного переменного тока связан с системой управления инвертором, предназначенной для регулирования напряжения путем формирования импульсов управления с нерегулируемым и регулируемым углами β и β_рег и распределения их по плечам многозонного инвертора через управляющие электроды управляемых вентилей в соответствии с алгоритмом работы.

Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока осуществляют следующим образом.

Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока заключается в регулировании при электрическом торможении выпрямленного напряжения инвертора на четырех зонах в процессе потребления электроэнергии из сети, в процессе возврата электроэнергии генератора в сеть и в процессе работы генератора без передачи электроэнергии.

При регулировании выпрямленного напряжения инвертора напряжение секций вторичной обмотки трансформатора, подаваемое на средние точки цепочек четырехзонной мостовой схемы, и распределяется на 4 зоны. На первую зону приходится 25% напряжения вторичной обмотки, на вторую - 50%, на третью - 75% и на четвертую зоны - 100%.

Далее регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляют путем изменения величины регулируемого угла опережения β_рег на всех зонах регулирования.

На первой зоне регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется системой управления путем подачи импульсов управления с регулируемым углом β_рег на два управляемых вентиля катодной группы и два управляемых вентиля анодной группы этой зоны мостовой схемы (по одному вентилю в каждом полупериоде напряжения).

В результате, при регулировании выпрямленного напряжения ток генератора протекает через эти вентили по второй малой секции вторичной обмотки трансформатора. Это сопровождается двумя следующими друг за другом процессами: большим потреблением электроэнергии генератором из сети и малым возвратом электроэнергии генератора в сеть.

В процессе регулирования на первой зоне происходит потребление генератором электроэнергии из сети на протяжении большого промежутка времени. Большое потребление электроэнергии уменьшает среднее значение выпрямленного напряжения инвертора, которое приводит к значительному снижению коэффициента мощности электровоза. Кроме того, это ведет к увеличению амплитуд коммутационных высокочастотных свободных колебаний в кривой напряжения сети.

На 2, 3 и 4-й зонах регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется системой управления путем подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β на два управляемых вентиля катодной группы и два управляемых вентиля анодной группы соответствующей зоны мостовой схемы (по одному вентилю в каждом полупериоде напряжения) и путем подачи импульсов управления с регулируемым углом β_рег на два управляемых вентиля моста предыдущей зоны (по одному в катодной и анодной группах моста в каждом полупериоде). Благодаря такой подаче импульсов управления β и β_рег соответствующие управляемые вентили отпираются и проводят ток генератора через вторичную обмотку тягового трансформатора. Далее, трансформируясь в первичную обмотку трансформатора, этот ток поступает в сеть.

В результате на 2, 3 и 4-й зонах регулирования также происходит большое потребление электроэнергии генератором из сети, величина которого меньше величины потребления электроэнергии на 1-й зоне, и также малый возврат электроэнергии генератора в сеть (инвертирование), величина которого больше величины потребления электроэнергии на 1-й зоне.

Большое потребление электроэнергии на всех зонах уменьшает среднее значение выпрямленного напряжения инвертора, которое приводит к снижению коэффициента мощности электровоза.

Кроме того, в процессе такого преобразования во всех зонах регулирования на интервале времени основной коммутации управляемых вентилей инвертора возникают коммутационные высокочастотные свободные колебания большой амплитуды в кривой напряжения сети на токоприемнике электровоза. Причиной их возникновения являются резкие перепады напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза, обусловленные коротким замыканием тока в секциях его вторичной обмотки во время протекания основной коммутации управляемых вентилей инвертора. Эти коммутационные свободные колебания увеличивают искажения кривой напряжения в контактной сети, тем самым повышают коэффициент искажения синусоидальности напряжения в контактной сети и ухудшают качество электроэнергии в ней.

Достоинство известного способа управления заключается в обеспечении возможности плавного регулирования напряжения инвертора за счет зонно-фазного принципа управления четырехзонным инвертором.

Недостаток известного способа управления зависимым четырехзонным инвертором однофазного переменного тока заключается в том, что при его использовании инвертор работает с низким коэффициентом мощности, что обусловлено малым средним значением выпрямленного напряжения инвертора на всех зонах регулирования.

Другим недостатком известного способа управления является низкое качество электроэнергии в контактной сети, что обусловлено возникновению в кривой напряжения сети высокочастотных свободных колебаний на всех зонах регулирования.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока, основанный на преобразовании электрической энергии постоянного тока генераторов, в качестве которых работают тяговые двигатели электровоза в режиме рекуперативного торможения, в энергию однофазного переменного тока сети посредством многозонной мостовой схемы [Патент на изобретение 2469458 Российская Федерация, МПК Н02М 7/53846 (2007.01). Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока [Текст] / СВ. Власьевский, Е.В. Буняева, О.В. Мельниченко; Заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС) - №2011130660/07; заявл. 21.07.2011; опубл. 10.12.2012, бюл. №34.

Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока реализуется в известном зависимом инверторе однофазного тока, который содержит многообмоточный трансформатор, многозонную мостовую схему, сглаживающий реактор, генератор постоянного тока и балластный резистор [Б.Н. Тихменев, В.А. Кучумов. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - С. 37-45].

Многообмоточный трансформатор представляет собой первичную обмотку и вторичную обмотку из трех секций, из которых две малые секции и имеют одинаковую величину напряжения, а напряжение третье большой секции равно сумме напряжений первых двух малых секций.

Многозонная мостовая схема составлена из трех параллельных мостов, образующих четырехзонную схему инвертора из четырех цепочек. Каждая цепочка содержит пару последовательно соединенных управляемых вентилей, образующих катодную и анодную группы.

Выводы трех секций вторичной обмотки многообмоточного трансформатора присоединены к средним точкам цепочек многозонной мостовой схемы. Катодная группа управляемых вентилей соединена с минусовой шиной постоянного тока инвертора, анодная группа управляемых вентилей - с его плюсовой шиной постоянного тока. К этим шинам последовательно присоединены сглаживающий реактор, генератор постоянного тока и балластный резистор.

Положительный полюс генератора через балластный резистор соединен с плюсовой, а отрицательный полюс генератора через сглаживающий реактор соединен с минусовой шинами моста.

Инвертор имеет четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения.

Первая зона образована второй малой секцией вторичной обмотки трансформатора, второй и третьей цепочками из управляемых вентилей и, которые своими средними точками присоединены к выводам этой секции.

Вторая зона образована первой и второй малыми секциями вторичной обмотки трансформатора, первой, второй и третьей цепочками из управляемых вентилей, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.

Третья зона образована второй малой и третьей большой секцией вторичной обмотки трансформатора, второй, третьей и четвертой цепочками из управляемых вентилей, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.

Четвертая зона образована первой и второй малыми секциями и третьей большой секцией вторичной обмотки трансформатора, первой, второй и четвертой цепочками из управляемых вентилей, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.

Зависимый инвертор однофазного переменного тока связан с системой управления инвертором, предназначенной для регулирования напряжения путем формирования импульсов управления с нерегулируемым и регулируемым углами β и β_рег и распределения их по плечам многозонного инвертора через управляющие электроды управляемых вентилей в соответствии с алгоритмом работы.

Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока заключается в регулировании при электрическом торможении выпрямленного напряжения инвертора на четырех зонах в процессе потребления электроэнергии из сети, в процессе возврата электроэнергии генератора в сеть и в процессе работы генератора без передачи электроэнергии.

Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока осуществляют следующим образом.

Регулирование выпрямленного напряжения инвертора начинают с подачи питания от сети первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого подает напряжение секций на средние точки цепочек четырехзонной мостовой схемы. Все напряжение секций вторичной обмотки трансформатора распределяется на 4 зоны. На первую зону приходится 25% напряжения вторичной обмотки, на вторую - 50%, на третью - 75% и на четвертую зоны - 100%.

Далее регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляют путем изменения величины регулируемого угла опережения β_рег на всех зонах регулирования.

На первой зоне в начале работы инвертора, когда отсутствует ток в цепи генератора, в полупериоде напряжения сети с положительной полярностью на интервале времени от 0 до π-β на управляемый вентиль второй цепочки катодной группы и на управляемый вентиль третьей цепочки анодной группы с помощью системы управления инвертором подают импульсы управления с нерегулируемым углом β в результате чего происходит их отпирание.

С этого момента времени на интервале от π-δ до π через открытые управляемые вентили и происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор, при котором генератор становится приемником электроэнергии сети, а секция вторичной обмотки трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.

На этом интервале времени напряжение генератора совпадает по направлению с напряжением секции вторичной обмотки трансформатора, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов двух источников напряжения: генератора и секции вторичной обмотки трансформатора.

После смены полярности напряжения сети постоянный ток генератора на интервале времени от π до 2π-β_рег протекает в секции вторичной обмотки в направлении противоположном направлению ее напряжения, что обусловлено большей величиной напряжения генератора по отношению к напряжению секции.

На интервале от π до 2π-β_рег через открытые управляемые вентили и происходит процесс поступления электроэнергии из генератора в сеть, при котором сеть становится приемником электроэнергии, а генератор - источником этой энергии, что соответствует режиму инвертирования.

На первой зоне в полупериоде напряжения сети с отрицательной полярностью на интервале времени от π до 2π-β на управляемый вентиль третьей цепочки катодной группы подают импульсы управления с регулируемым углом β_рег, в результате чего происходит его отпирание.

Отпирание управляемого вентиля третьей цепочки катодной группы приводит к запиранию управляемого вентиля второй цепочки катодной группы, которые происходят за время, соответствующее углу γ_р регулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля третьей цепочки катодной группы ток генератора замыкается на время, соответствующее углу γ₆, через открытые управляемые вентили и с образованием буферного контура. При этом ток генератора от своего плюсового вывода протекает через балластный резистор, плюсовую шину, открытые вентили, минусовую шину и сглаживающий реактор на свой минусовый вывод.

В течение этого времени электроэнергия сети прекращает поступать в генератор и, соответственно, прекращается режим выпрямления инвертора.

В то же время на интервале от 2π-β_рег до 2π-β генератор прекращает возврат своей электроэнергии в сеть и использует ее для электрического торможения электровоза.

Далее в момент времени 2π-β на управляемый вентиль второй цепочки анодной группы подают импульсы управления с нерегулируемым углом р. В результате этого в течение времени, соответствующего углу у нерегулируемой коммутации, происходит отпирание управляемого вентиля и закрытие управляемого вентиля третьей цепочки анодной группы, которые завершаются в момент времени 2π-δ.

После закрытия управляемого вентиля буферный контур прекращает свою работу и инвертор переходит в режим выпрямления.

В режиме выпрямления на интервале времени от 2π-δ до 2π через открытые управляемые вентили происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор, при котором генератор становится приемником электроэнергии сети, а секция вторичной обмотки трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления. На этом интервале времени напряжение генератора совпадает по направлению с напряжением секции вторичной обмотки трансформатора, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов двух источников напряжения: генератора и секции вторичной обмотки трансформатора.

Таким образом, процесс передачи энергии, происходящий на интервале времени от 2π-δ до 2π, аналогичен процессу передачи энергии, происходящему на интервале времени от π-δ до π.

При смене полярности напряжения сети постоянный ток генератора на интервале времени от 0 до π-β_рег протекает в секции вторичной обмотки в направлении противоположном направлению ее напряжения, что обусловлено большей величиной напряжения генератора по отношению к напряжению секции.

В момент времени π-β_рег на управляемый вентиль второй цепочки катодной группы подают импульсы управления с регулируемым углом β_рег.

Отпирание управляемого вентиля приводит к запиранию управляемого вентиля третьей цепочки катодной группы, которые происходят за время, соответствующее углу γ_p регулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля ток генератора замыкается на время, соответствующее углу γ_б, через открытые управляемые вентили и с образованием буферного контура.

После смены полярности напряжения в следующем периоде напряжения процесс работы инвертора проходит аналогично рассмотренному периоду.

В результате, ток генератора протекает по этим вентилям и по второй малой секции вторичной обмотки трансформатора, образуя три следующих друг за другом процесса: потребление генератором электроэнергии из сети (выпрямление), возврат электроэнергии генератора в сеть (инвертирование) и работа генератора в короткозамкнутом контуре (буферный контур) через открытые управляемые вентили второй или третьей цепочки инвертора, в зависимости от полупериода напряжения без потребления электроэнергии из сети и без возврата электроэнергии генератора в сеть.

При этом на первой зоне регулирования ток рекуперации в первичной обмотке трансформатора возникает в случае, если среднее за полупериод значение напряжения инвертора является отрицательным по отношению к напряжению сети и зависит от величины участка отрицательного напряжения на интервале от 0 до π-β_рег, участка нулевого напряжения на интервале от π-β_рег до π-δ и участка положительного напряжения на интервале от π-δ до π.

При этом наличие участка нулевого напряжения при образовании буферного контура приводит к уменьшению участка положительного напряжения и, как следствие, к увеличению среднего значения выпрямленного напряжения инвертора, которое приводит к повышению коэффициента мощности инвертор на 1-й зоне регулирования.

Однако в момент начала и окончания основной коммутации управляемых вентилей инвертора происходят резкие перепады напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора. Следствием этого является возникновение высокочастотных свободных колебаний напряжения сети. Высокочастотные свободные колебания увеличивают искажения кривой напряжения в сети, тем самым повышают коэффициент искажения синусоидальности напряжения в контактной сети и ухудшают качество электроэнергии в ней.

На 2, 3 и 4-й зонах регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляется в каждом полупериоде напряжения сети системой управления путем подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β на одну пару управляемых вентилей крайних цепочек соответствующих зон, в которой один вентиль принадлежит катодной, а другой - анодной группам моста, и подачи импульсов управления с регулируемым углом β_рег в каждом следующем полупериоде напряжения на управляемый вентиль катодной или анодной группы моста предыдущей зоны регулирования, в зависимости от полупериода.

Способ регулирования на каждой из зон выше первой рассмотрен на примере способа регулирования на четвертой зоне.

На четвертой зоне в начале работы инвертора, когда отсутствует ток в цепи генератора, в полупериоде напряжения сети с положительной полярностью на интервале времени от 0 до π-β на управляемый вентиль первой цепочки катодной группы и на управляемый вентиль четвертой цепочки анодной группы с помощью системы управления инвертором подают импульсы управления с нерегулируемым углом β, в результате чего происходит их отпирание.

С этого момента времени на интервале от π-δ до π через открытые управляемые вентили и происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор, при котором генератор становится приемником электроэнергии сети, а все секции вторичной обмотки трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.

На этом интервале времени напряжение генератора совпадает по направлению с напряжением секций вторичной обмотки трансформатора, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов, создаваемых двумя источниками напряжения: генератора и секций вторичной обмотки трансформатора.

После смены полярности напряжения сети постоянный ток генератора на интервале времени от π до 2π-β_рег протекает в секциях вторичной обмотки трансформатора в направлении, противоположном направлению ее напряжения, что обусловлено большей величиной напряжения генератора по отношению к напряжению секций.

На интервале от π до 2π-β_рег через открытые управляемые вентили происходит процесс поступления электроэнергии из генератора в сеть, при котором сеть становится приемником электроэнергии, а генератор - источником этой энергии, что соответствует режиму инвертирования.

На интервале времени от π до 2π-β на управляемый вентиль второй цепочки катодной группы подают импульсы управления с регулируемым углом β_рег, в результате чего происходит его отпирание.

Отпирание управляемого вентиля второй цепочки катодной группы приводит к запиранию управляемого вентиля первой цепочки катодной группы, которые происходят за время, соответствующее углу γ_р регулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля второй цепочки катодной группы ток генератора от плюсового вывода генератора протекает через балластный резистор, плюсовую шину, открытые управляемые вентили, вторую малую и большую секции вторичной обмотки трансформатора, минусовую шину и сглаживающий реактор на свой минусовый вывод. При этом величина напряжения инвертора уменьшается за счет того, что в контуре протекания тока генератора не участвует первая малая секция вторичной обмотки трансформатора.

Далее в момент времени 2π-β на управляемый вентиль первой цепочки анодной группы и на управляемый вентиль четвертой цепочки катодной группы подают импульсы управления с нерегулируемым углом β. В результате этого происходит их отпирание. Отпирание управляемого вентиля первой цепочки анодной группы приводит к запиранию управляемого вентиля четвертой цепочки анодной группы. Также отпирание управляемого вентиля четвертой цепочки катодной группы приводит к запиранию управляемого вентиля второй цепочки анодной группы. Эти процессы происходят за время, соответствующее углу нерегулируемой коммутации у и заканчиваются в момент времени 2π-δ.

С момента времени 2π-β до момента времени 2π-β ток генератора замыкается на время через открытые управляемые вентили четвертой цепочки с образованием буферного контура. При этом ток генератора от своего плюсового вывода протекает через балластный резистор, плюсовую шину, вентили четвертой цепочки, минусовую шину и сглаживающий реактор на свой минусовый вывод.

В течение этого времени электроэнергия генератора прекращает поступать в сеть и, соответственно, прекращается режим инвертирования.

Далее а интервале времени от 2π-δ до 2π через открытые управляемые вентили происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор, при котором генератор становится приемником электроэнергии сети, а все секции вторичной обмотки трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.

На этом интервале времени напряжение генератора совпадает по направлению с напряжением секций вторичной обмотки трансформатора, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов, создаваемых двумя источниками напряжения: генератора и всеми секциями вторичной обмотки трансформатора.

Таким образом, процесс передачи энергии, происходящий на интервале времени от 2π-δ до 2π, аналогичен процессу передачи энергии, происходящему на интервале времени от π-δ до π.

После смены полярности напряжения сети и переходе в полупериод напряжения сети с положительной полярностью, постоянный ток генератора на интервале времени от 0 до 7 π-β_рег протекает во всех секциях вторичной обмотки трансформатора в направлении, противоположном направлению ее напряжения, что обусловлено большей величиной напряжения генератора по отношению к напряжению этих секций.

На интервале от 0 до π-β_рег через открытые управляемые вентили происходит процесс поступления электроэнергии из генератора в сеть, при котором сеть становится приемником электроэнергии, а генератор - источником этой энергии, что соответствует режиму инвертирования.

На интервале времени от 0 до π-β на управляемый вентиль второй цепочки анодной группы подают импульсы управления с регулируемым углом β_рег, в результате чего происходит его отпирание.

Отпирание управляемого вентиля второй цепочки анодной группы приводит к запиранию управляемого вентиля первой цепочки анодной группы, которые происходят за время, соответствующее углу γ_р регулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля второй цепочки анодной группы ток генератора от плюсового вывода генератора протекает через балластный резистор, плюсовую шину, открытые управляемые вентили, секции вторичной обмотки трансформатора, минусовую шину и сглаживающий реактор на свой минусовый вывод. При этом величина напряжения инвертора уменьшается за счет того, что в контуре протекания тока генератора не участвует первая малая секция вторичной обмотки трансформатора.

Далее в момент времени π-β на управляемый вентиль первой цепочки катодной группы и на управляемый вентиль четвертой цепочки анодной группы подают импульсы управления с нерегулируемым углом β. В результате этого происходит их отпирание. Отпирание управляемого вентиля первой цепочки катодной группы приводит к запиранию управляемого вентиля третьей цепочки катодной группы. Также отпирание управляемого вентиля четвертой цепочки анодной группы приводит к запиранию управляемого вентиля второй цепочки анодной группы. Эти процессы происходят за время, соответствующее углу нерегулируемой коммутации γ и завершаются в момент времени π-δ.

С момента времени π-β до момента времени π-δ ток генератора замыкается на время через открытые управляемые вентили с образованием буферного контура. При этом ток генератора от своего плюсового вывода протекает через балластный резистор, плюсовую шину, открытые вентили, минусовую шину и сглаживающий реактор на свой минусовый вывод.

В течение этого времени электроэнергия генератора прекращает поступать в сеть и, соответственно, прекращается режим инвертирования.

Далее на интервале времени от 2π-δ до 2π через открытые управляемые вентили происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор, при котором генератор становится приемником электроэнергии сети, а все секции вторичной обмотки трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.

После смены полярности напряжения в следующем периоде напряжения процесс работы инвертора проходит аналогично рассмотренному периоду.

В результате среднее значение выпрямленного напряжения инвертора на 2, 3 и 4 зонах регулирования остается низким, как и в аналоге. Следствием низкого значения среднего значения напряжения является низкое значение коэффициента мощности инвертора на этих зонах.

Кроме того, при начале и окончании основной коммутации токов управляемых вентилей инвертора происходит резкое снижение эквивалентного индуктивного сопротивления электровоза, приводящее к резким перепадам напряжения в первичной обмотке трансформатора на токоприемнике электровоза и возникновению высокочастотных колебаний напряжения с большой амплитудой и ухудшению качества электроэнергии в сети.

Достоинство известного способа управления заключается в обеспечении возможности плавного регулирования напряжения инвертора за счет зонно-фазного принципа управления четырехзонным инвертором.

Недостаток известного способа управления зависимым инвертором однофазного переменного тока заключается в том, что при его использовании инвертор работает с низким коэффициентом мощности, что обусловлено малым средним значением выпрямленного напряжения инвертора на всех зонах регулирования.

Другим недостатком известного способа управления является низкое качество электроэнергии в контактной сети, что обусловлено возникновению в кривой напряжения сети высокочастотных свободных колебаний на всех зонах регулирования.

Достоинство известного способа управления зависимым инвертором однофазного переменного тока заключается в повышении коэффициента мощности инвертора, обусловленного его повышением на первой зоне регулирования за счет создания участка нулевого напряжения при образовании буферного контура на этой зоне, а также повышении качества электроэнергии в сети, обусловленного его повышением на первой зоне за счет снижения высокочастотных свободных колебаний напряжения.

Однако даже повышенный коэффициент мощности инвертора и улучшенное качество электроэнергии в сети остаются недостаточными, что является недостатком известного способа управления зависимым инвертором однофазного переменного тока.

Это определяется сохранением значений коэффициента мощности инвертора и качества электроэнергии в сети на 2, 3 и 4 зонах регулирования, обусловленных одновременной подачей импульсов управления на тиристоры крайних плеч соответствующей зоны регулирования, как в аналоге.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа управление зависимым инвертором однофазного переменного тока, позволяющего повысить коэффициент мощности инвертора и качество электроэнергии за счет повышения коэффициент мощности инвертора и качества электроэнергии на 2, 3 и 4 зонах регулирования благодаря предварительной подаче импульсов управления на управляемые вентили плеча предыдущей зоны регулирования в начале процесса основной коммутации и последующей одновременной подаче импульсов управления на управляемые вентили крайних плеч соответствующей зоны регулирования после открытия управляемых вентилей плеча предыдущей зоны регулирования.

Для решения поставленной задачи в способе управления зависимым инвертором однофазного переменного тока, содержащим многообмоточный трансформатор с вторичной обмоткой, по крайней мере, с тремя секциями, катодную и анодную группы управляемых вентилей, образующих многозонную мостовую схему, по крайней мере, из четырех цепочек последовательно соединенных управляемых вентилей, и подсоединенные к минусовой и плюсовой шинам постоянного тока инвертора сглаживающий реактор, генератор постоянного тока и балластный резистор, и в котором выводы трех секций вторичной обмотки трансформатора присоединены к средним точкам четырех цепочек, катодная группа управляемых вентилей соединена с минусовой шиной постоянного тока инвертора, анодная группа управляемых вентилей - с его плюсовой шиной постоянного тока, заключающемся в подаче на первой зоне регулирования в первом полупериоде импульсов управления с регулируемым углом β_рег на управляемый вентиль второй цепочки катодной группы моста на интервале времени от 0 до π-β и импульсов управления с нерегулируемым углом β на управляемый вентиль третьей цепочки анодной группы моста, во втором полупериоде импульсов управления с регулируемым углом β_рег на управляемый вентиль третьей цепочки катодной группы моста на интервале времени от π до 2π-β и импульсов управления с нерегулируемым углом β на управляемый вентиль второй цепочки анодной группы моста, в подаче на последующих зонах регулирования в первом полупериоде напряжения импульсов управления с нерегулируемым углом β на один управляемый вентиль анодной группы одной крайней цепочки и на один управляемый вентиль катодной группы другой крайней цепочки соответствующей зоны, и на интервале времени от 0 до π-β импульсов управления с регулируемым углом β_рег на управляемый вентиль анодной группы предыдущей зоны регулирования и в подаче во втором полупериоде напряжения импульсов управления с нерегулируемым углом β на другие управляемые вентили этих же крайних цепочек и на интервале времени от π до 2π-β импульсов управления с регулируемым углом β_рег на управляемый вентиль катодной группы предыдущей зоны регулирования, на всех зонах регулирования, кроме первой, в первом полупериоде напряжения дополнительно подают импульсы управления с нерегулируемым углом β на управляемый вентиль катодной группы средней цепочки предыдущей зоны, и во втором полупериоде - на управляемый вентиль анодной группы средней цепочки предыдущей зоны, причем импульсы управления с нерегулируемым углом β, подаваемые в каждом полупериоде на одну соответствующую пару управляемых вентилей крайних цепочек соответствующих зон, подают с задержкой по времени относительно нерегулируемого угла β на величину угла отпирания γ₁ соответствующего управляемого вентиля средней цепочки предыдущей зоны.

Дополнительная подача импульсов управления с нерегулируемым углом β на всех зонах регулирования, кроме первой, на управляемый вентиль катодной группы средней цепочки предыдущей зоны, и во втором полупериоде - на управляемый вентиль анодной группы средней цепочки предыдущей зоны, и задержка подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β, подаваемые в каждом полупериоде на одну соответствующую пару управляемых вентилей крайних цепочек соответствующих зон по времени относительно нерегулируемого угла β на величину угла отпирания γ₁ соответствующего управляемого вентиля средней цепочки предыдущей зоны отличает совокупность существенных признаков заявляемого решения от совокупности существенных признаков прототипа. Наличие отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого способа управления зависимым инвертором однофазного постоянного тока критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Дополнительная подача импульсов управления с нерегулируемым углом β на всех зонах регулирования, кроме первой, на управляемый вентиль катодной группы средней цепочки предыдущей зоны, и во втором полупериоде - на управляемый вентиль анодной группы средней цепочки предыдущей зоны, и задержка подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β, подаваемые в каждом полупериоде на одну соответствующую пару управляемых вентилей крайних цепочек соответствующих зон по времени относительно нерегулируемого угла β на величину угла отпирания γ₁ соответствующего управляемого вентиля средней цепочки предыдущей зоны приводят к повышению коэффициента мощности инвертора и качества электроэнергии за счет повышения коэффициент мощности инвертора и качества электроэнергии на 2, 3 и 4 зонах регулирования.

Дополнительная подача на зонах регулирования выше 1-й импульсов управления с нерегулируемым углом β на управляемый вентиль катодной группы предыдущей зоны в первом полупериоде и на управляемый вентиль анодной группы предыдущей зоны во втором полупериоде приводит к возникновению малого короткозамкнутого контура коммутации, длительность которой измеряется величиной утла коммутации γ₁. Благодаря возникновению малого короткозамкнутого контура коммутации напряжение контактной сети на токоприемнике снижается на небольшую величину, по сравнению с прототипом, где процесс коммутации проходит в большом короткозамкнутом контуре с большим эквивалентным сопротивлением обмоток трансформатора. В результате, амплитуда коммутационных высокочастотных свободных колебаний на этом интервале коммутации (угол γ₁) значительно снижается, что снижает мощность искажений и повышает коэффициент мощности. Это повышает качество электроэнергии на токоприемнике электровоза. Особенность дополнительной подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β заключается в том, что при создании первого малого короткозамкнутого контура коммутации в инверторе не происходит полного закорачивания секций вторичной обмотки по сравнению с прототипом, а только часть ее. В результате, работа инвертора продолжается с незакороченной частью витков вторичной обмотки и в кривой выпрямленного напряжения появляется дополнительный положительный участок напряжения, длительность которого равна времени угла γ₁ и уменьшается отрицательный участок напряжения после окончания коммутации, что увеличивает в среднем выпрямленное напряжение инвертора. Это увеличение выпрямленного напряжения увеличивает возврат в сеть активной составляющей и уменьшает потребление генератором из сети реактивной составляющей полной мощности переменного тока, что повышает коэффициент мощности инвертора.

Задержка по времени на величину угла γ₁ подачи в каждом полупериоде напряжения импульсов управления с нерегулируемым углом β на соответствующую одну пару управляемых вентилей крайних цепочек соответствующих зон приводит к образованию на всех последующих зонах выше 1-й следующих двух малых короткозамкнутых контуров коммутации, общая длительность которых измеряется величиной угла коммутации γ₂. Благодаря возникновению этих контуров коммутации напряжение контактной сети на токоприемнике электровоза второй раз снижается также на небольшую величину, создавая, таким образом, в целом постепенное снижение напряжения на токоприемнике электровоза в процессе основной коммутации за счет поэтапного снижения эквивалентного индуктивного сопротивления обмоток трансформатора. В результате, амплитуда коммутационных высокочастотных свободных колебаний на интервалах угла γ₁ и γ₂, значительно уменьшается, что уменьшает мощность искажений, являющейся составной частью полной мощности переменного тока инвертора. Это повышает в целом качество электроэнергии на токоприемнике электровоза и коэффициент мощности инвертора.

Причинно-следственная связь «Дополнительная подача импульсов управления с нерегулируемым углом β на всех зонах регулирования, кроме первой, на управляемый вентиль катодной группы средней цепочки предыдущей зоны, и во втором полупериоде - на управляемый вентиль анодной группы средней цепочки предыдущей зоны, и задержка подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β, подаваемые в каждом полупериоде на одну соответствующую пару управляемых вентилей крайних цепочек соответствующих зон по времени относительно нерегулируемого угла β на величину угла отпирания γ₁ соответствующего управляемого вентиля средней цепочки предыдущей зоны приводят к повышению коэффициента мощности инвертора и качества электроэнергии за счет повышения коэффициент мощности инвертора и качества электроэнергии на 2, 3, 4 зонах регулирования» не обнаружена в известном уровне техники и явным образом не следует из него. Новизна причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Работоспособность и промышленная применимость заявляемого способа управления зависимым инвертором однофазного переменного тока подтверждается и иллюстрируется фигурами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема зависимого инвертора однофазного переменного тока, в котором реализуется способ его управления,

На фиг. 2 представлена диаграмма процессов работы зависимого инвертора на первой зоне регулирования, в котором осуществляется заявляемый способ управления инвертором.

На фиг. 3 представлена диаграмма процессов работы зависимого инвертора на одной из последующих зон регулирования, например, на 4-й зоне регулирования, в котором осуществляется заявляемый способ управления инвертором.

На фиг. 4 представлена диаграмма процессов работы зависимого инвертора, например, на 4-й зоне регулирования, в котором способ управления инвертором осуществляется, как в прототипе.

Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока реализуется в известном зависимом инверторе однофазного тока, который содержит многообмоточный трансформатор 1, многозонную мостовую схему 2, сглаживающий реактор 3, генератор постоянного тока 4 и балластный резистор 5 [Б.Н. Тихменев, В.А. Кучумов. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М: Транспорт, 1988. - С. 37-45].

Многообмоточный трансформатор 1 представляет собой первичную обмотку 6 и вторичную обмотку из трех секций 7, 8, 9, из которых две малые секции 7 и 8 имеют одинаковую величину напряжения, а напряжение третье большой секции 9 равно сумме напряжений первых двух 7 и 8 малых секций.

Многозонная мостовая схема 2 составлена из трех параллельных мостов, образующих четырехзонную схему инвертора из четырех цепочек 10. Каждая цепочка 10 содержит пару последовательно соединенных управляемых вентилей, образующих катодную 11 и анодную 12 группы.

Первая цепочка состоит из пары управляемых вентилей 13-14, вторая - из пары управляемых вентилей 15-16, третья - из пары управляемых вентилей 17-18 и четвертая - из пары управляемых вентилей 19-20.

Выводы трех секций 7, 8, 9 вторичной обмотки многообмоточного трансформатора 1 присоединены к средним точкам цепочек 10 многозонной мостовой схемы 2. Катодная группа 11 управляемых вентилей соединена с минусовой 21 шиной постоянного тока инвертора, анодная группа 12 управляемых вентилей - с его плюсовой 22 шиной постоянного тока. К этим шинам последовательно присоединены сглаживающий реактор 3, генератор постоянного тока 4 и балластный резистор 5.

Положительный полюс генератора 4 через балластный резистор 5 соединен с плюсовой 22, а отрицательный полюс генератора 4 через сглаживающий реактор 3 соединен с минусовой 21 шинами моста.

Инвертор имеет четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения.

Первая зона образована второй малой секцией 8 вторичной обмотки трансформатора 1, второй и третьей цепочками 10 из управляемых вентилей 15-16 и 17-18, которые своими средними точками присоединены к выводам этой секции 11.

Вторая зона образована первой малой 7 и второй малой 8 секций вторичной обмотки трансформатора 1, первой, второй и третьей цепочек 10 из управляемых вентилей 13-14, 15-16 и 17-18, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.

Третья зона образована второй малой 8 и третьей большой 9 секций вторичной обмотки трансформатора 1, второй, третьей и четвертой цепочек 10 из управляемых вентилей 15-16, 17-18 и 19-20, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.

Четвертая зона образована первой малой 7, второй малой 8 и третьей большой 9 секциями вторичной обмотки трансформатора 1, первой, второй и четвертой цепочками 10 из управляемых вентилей 13-14, 15-16 и 19-20, присоединенных своими средними точками к выводам этих секций.

Зависимый инвертор однофазного переменного тока связан с системой управления инвертором (на фигуре не показана), предназначенной для регулирования напряжения путем формирования импульсов управления с нерегулируемым и регулируемым углами β и β_рег и распределения их по плечам многозонного инвертора 2 через управляющие электроды управляемых вентилей в соответствии с алгоритмом работы.

Процесс работы зависимого инвертора однофазного переменного тока включает три режима его функционирования: режим потребления (выпрямления) электроэнергии из сети, режим возврата (инвертирования) электроэнергии генератора в сеть и режим работы генератора без передачи электроэнергии (буферный контур).

Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока заключается в регулировании при электрическом торможении выпрямленного напряжения инвертора на четырех зонах в процессе потребления электроэнергии из сети, в процессе возврата электроэнергии генератора в сеть и в процессе работы генератора без потребления электроэнергии из сети.

Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока осуществляют следующим образом.

Регулирование выпрямленного напряжения инвертора начинают с подачи питания от сети первичной обмотки 6 трансформатора 1, вторичная обмотка которого подает напряжение секций 7, 8, 9 на средние точки цепочек 10 четырехзонной мостовой схемы 2. Все напряжение секций 7, 8, 9 вторичной обмотки трансформатора 1 распределяется на 4 зоны. На первую зону приходится 25% напряжения вторичной обмотки, на вторую - 50%, на третью - 75% и на четвертую зоны - 100%.

Далее регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляют путем изменения величины регулируемого угла опережения β_рег на всех зонах регулирования.

На первой зоне в начале работы инвертора, когда отсутствует ток в цепи генератора 4, в полупериоде напряжения сети с положительной полярностью (первый полупериод на фиг. 2) на интервале времени от 0 до π-β на управляемый вентиль 15 второй цепочки 10 катодной группы 11 и на управляемый вентиль 18 третьей цепочки 10 анодной группы 12 с помощью системы управления инвертором подают импульсы управления с нерегулируемым углом β, в результате чего происходит их отпирание.

С этого момента времени на интервале от π-δ до π через открытые управляемые вентили 15 и 18 происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор 4, при котором генератор 4 становится приемником электроэнергии сети, а секция 8 вторичной обмотки трансформатора 1 - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.

На этом интервале времени напряжение генератора 4 совпадает по направлению с напряжением секции 8 вторичной обмотки трансформатора 1, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов двух источников напряжения: генератора 4 и секции 8 вторичной обмотки трансформатора 1.

После смены полярности напряжения сети (второй полупериод на фиг. 2) постоянный ток генератора 4 на интервале времени от π до 2π-β_рег протекает в секции 8 вторичной обмотки в направлении, противоположном направлению ее напряжения, что обусловлено большей величиной напряжения генератора 7 по отношению к напряжению секции 8.

На интервале от π до 2π-β_рег через открытые управляемые вентили 15 и 18 происходит процесс поступления электроэнергии из генератора 4 в сеть, при котором сеть становится приемником электроэнергии, а генератор 4 - источником этой энергии, что соответствует режиму инвертирования.

На первой зоне в полупериоде напряжения сети с отрицательной полярностью (второй полупериод на фиг. 2) на интервале времени от π до 2π-β на управляемый вентиль 17 третьей цепочки 10 катодной группы 11 подают импульсы управления с регулируемым углом β_рег, в результате чего происходит его отпирание.

Отпирание управляемого вентиля 17 приводит к запиранию управляемого вентиля 15 катодной группы 11, которые происходят за время, соответствующее углу γ_р регулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля 17 ток генератора 4 замыкается на время, соответствующее углу γ₆, через открытые управляемые вентили 17 и 18 с образованием буферного контура. При этом ток генератора 4 от своего плюсового вывода протекает через балластный резистор 5, плюсовую шину 22, вентили 18 и 17, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовый вывод.

В течение этого времени электроэнергия сети прекращает поступать в генератор 4 и, соответственно, прекращается режим выпрямления инвертора 2.

В то же время на интервале от 2π-β_рег до 2π-β генератор 4 прекращает возврат своей электроэнергии в сеть и использует ее для электрического торможения электровоза.

Далее в момент времени 2π-β на управляемый вентиль 16 второй цепочки 10 анодной группы 12 подают импульсы управления с нерегулируемым углом β. В результате этого в течение времени, соответствующего углу у нерегулируемой коммутации, происходит отпирание управляемого вентиля 16 и закрытие управляемого вентиля 18 анодной группы 12, которое завершается в момент времени 2π-δ.

После закрытия управляемого вентиля 18 буферный контур прекращает свою работу, и инвертор 2 переходит в режим выпрямления.

В режиме выпрямления на интервале времени от 2π-δ до 2π через открытые управляемые вентили 16 и 17 происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор 4, при котором генератор 4 становится приемником электроэнергии сети, а секция 8 вторичной обмотки трансформатора 1 - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления. На этом интервале времени напряжение генератора 4 совпадает по направлению с напряжением секции 8 вторичной обмотки трансформатора 1, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов двух источников напряжения: генератора 4 и секции 8 вторичной обмотки трансформатора 1.

Таким образом, процесс передачи энергии, происходящий на интервале времени от 2π-δ до 2π, аналогичен процессу передачи энергии, происходящему на интервале времени от π-δ до π.

При смене полярности напряжения сети (первый полупериод на фиг.2) постоянный ток генератора 4 на интервале времени от 0 до π-β_рег протекает в секции 8 вторичной обмотки в направлении, противоположном направлению ее напряжения, что обусловлено большей величиной напряжения генератора 7 по отношению к напряжению секции 8.

В момент времени π-β_рег на управляемый вентиль 15 второй цепочки 10 катодной группы 11 подают импульсы управления с регулируемым углом β_рег. Отпирание управляемого вентиля 15 приводит к запиранию управляемого вентиля 17 катодной группы 11, которые происходят за время, соответствующее углу γ_р регулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля 15 ток генератора 4 замыкается на время, соответствующее углу γ_б, через открытые управляемые вентили 15 и 16 с образованием буферного контура.

После смены полярности напряжения в следующем периоде напряжения процесс работы инвертора проходит аналогично рассмотренному периоду.

Таким образом, на первой зоне регулирования ток рекуперации в первичной обмотке трансформатора возникает в случае, если среднее за полупериод значение напряжения инвертора является отрицательным по отношению к напряжению сети и зависит от величины участка отрицательного напряжения на интервале от 0 до π-β_рег, участка нулевого напряжения на интервале от π-β_рег до π-δ и участка положительного напряжения на интервале от π-δ до π.

Наличие участка нулевого напряжения при образовании буферного контура приводит к уменьшению участка положительного напряжения и, как следствие, к увеличению среднего значения выпрямленного напряжения инвертора, которое приводит к повышению коэффициента мощности инвертор на 1-й зоне регулирования.

Однако в момент начала и окончания основной коммутации управляемых вентилей инвертора происходят резкие перепады напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора. Следствием этого является возникновение высокочастотных свободных колебаний напряжения сети. Высокочастотные свободные колебания увеличивают искажения кривой напряжения в сети, тем самым повышают коэффициент искажения синусоидальности напряжения в контактной сети и ухудшают качество электроэнергии в ней.

Регулирование напряжения на второй, третьей и четвертой зонах осуществляют аналогичным образом.

На второй, третьей и четвертой зонах регулирование выпрямленного напряжения инвертора осуществляют системой управления путем подачи импульсов управления с нерегулируемым углом β на управляемый вентиль катодной группы предыдущей зоны в положительном полупериоде и анодной группы предыдущей зоны в отрицательном полупериоде, подачи с задержкой по времени импульсов управления с нерегулируемым углом β на величину угла коммутации γ₁ малого короткозамкнутого контура коммутации в каждом полупериоде на соответствующую одну пару управляемых вентилей крайних цепочек соответствующих зон и подачи импульсов управления с регулируемым углом β_рег на управляемый вентиль катодной группы предыдущей зоны во втором полупериоде на интервале времени от π до 2π-β или анодной группы предыдущей зоны в первом полупериоде на интервале времени от 0 до π-β.

Способ регулирования на каждой из зон выше первой рассмотрен на примере способа регулирования на четвертой зоне.

На четвертой зоне в начале работы инвертора, когда отсутствует ток в цепи генератора 4, в полупериоде напряжения сети с положительной полярностью (первый полупериод на фиг. 3) на интервале времени от 0 до π-β на управляемый вентиль 13 первой цепочки 10 катодной группы 11 и на управляемый вентиль 20 четвертой цепочки 10 анодной группы 12 с помощью системы управления инвертором подают импульсы управления с нерегулируемым углом β, в результате чего происходит их отпирание.

С этого момента времени на интервале от π-δ до ж через открытые управляемые вентили 13 и 20 происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор 4, при котором генератор 4 становится приемником электроэнергии сети, а секции 7, 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1 - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.

На этом интервале времени напряжение генератора 4 совпадает по направлению с напряжением секций 7, 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов, создаваемых двумя источниками напряжения: генератора 4 и секций 7, 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1.

После смены полярности напряжения сети (второй полупериод на фиг. 3) постоянный ток генератора 4 на интервале времени от π до 2π-β_рег протекает в секциях 7, 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1 в направлении, противоположном направлению ее напряжения, что обусловлено большей величиной напряжения генератора 4 по отношению к напряжению секций 7, 8 и 9.

На интервале от π до 2π-β_рег через открытые управляемые вентили 13 и 20 происходит процесс поступления электроэнергии из генератора 4 в сеть, при котором сеть становится приемником электроэнергии, а генератор 4 - источником этой энергии, что соответствует режиму инвертирования.

На интервале времени от π до 2π-β на управляемый вентиль 15 второй цепочки 10 катодной группы 11 подают импульсы управления с регулируемым углом β_рег, в результате чего происходит его отпирание.

Отпирание управляемого вентиля 15 приводит к запиранию управляемого вентиля 13 катодной группы 11, которые происходят за время, соответствующее углу γ_р регулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля 15 ток генератора 4 от плюсового вывода генератора 4 протекает через балластный резистор 5, плюсовую шину 22, управляемый вентиль 20, секции 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1, управляемый вентиль 15, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовый вывод. При этом величина напряжения инвертора уменьшается за счет того, что в контуре протекания тока генератора 1 не участвует секция 7 вторичной обмотки трансформатора 1.

Далее в момент времени 2π-β на управляемый вентиль 18 второй цепочки 10 анодной группы 12 подают импульсы управления с нерегулируемым углом β. В результате этого происходит его отпирание. Отпирание управляемого вентиля 18 второй цепочки 10 анодной группы 12 приводит к запиранию управляемого вентиля 20 анодной группы 12, которые происходят за время, соответствующее углу γ₁ нерегулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля 18 ток генератора 4 от плюсового вывода генератора 4 протекает через балластный резистор 5, плюсовую шину 22, управляемый вентиль 18, секцию 8 вторичной обмотки трансформатора 1, управляемый вентиль 15, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовый вывод. При этом величина напряжения инвертора уменьшается за счет того, что в контуре протекания тока генератора 1 участвует только секция 8 вторичной обмотки трансформатора 1.

После запирания управляемого вентиля 20 в момент времени 2π-β+γ₁ на управляемый вентиль 14 первой цепочки 10 анодной группы 12 и на управляемый вентиль 19 четвертой цепочки 10 катодной группы 11 подают импульсы управления с нерегулируемым углом β+γ₁. В результате этого происходит их отпирание. Отпирание управляемого вентиля 14 первой цепочки 10 анодной группы 12 приводит к запиранию управляемого вентиля 18 третьей цепочки 10 анодной группы 12. Также отпирание управляемого вентиля 19 четвертой цепочки 10 катодной группы 12 приводит к запиранию управляемого вентиля 15 второй цепочки 10 анодной группы 12. Эти процессы происходят за время, соответствующее углу нерегулируемой коммутации γ₂ и завершается в момент времени 2π-δ.

С момента времени 2π-β+γ₁ до момента времени 2π-δ ток генератора 4 замыкается на время через открытые управляемые вентили 15 и 18 с образованием буферного контура. При этом ток генератора 4 от своего плюсового вывода протекает через балластный резистор 5, плюсовую шину 22, вентили 15 и 18, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовый вывод.

В течение этого времени электроэнергия генератора 4 прекращает поступать в сеть и, соответственно, прекращается режим инвертирования.

После отпирания управляемых вентилей 14 и 19 на интервале времени от 2π-δ до 2π через открытые управляемые вентили 14 и 19 происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор 4, при котором генератор 4 становится приемником электроэнергии сети, а секции 7, 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1 - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.

На этом интервале времени напряжение генератора 4 совпадает по направлению с напряжением секций 7, 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1, в результате чего в цепи инвертора протекает ток, равный сумме токов, создаваемых двумя источниками напряжения: генератора 4 и секциями 7, 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1.

Таким образом, процесс передачи энергии, происходящий на интервале времени от 2π-δ до 2π, аналогичен процессу передачи энергии, происходящему на интервале времени от π-δ до π.

После смены полярности напряжения сети (первый полупериод на фиг. 3) постоянный ток генератора 4 на интервале времени от 0 до π-β_рег протекает в секциях 7, 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1 в направлении, противоположном направлению ее напряжения, что обусловлено большей величиной напряжения генератора 4 по отношению к напряжению секций 7, 8 и 9.

На интервале от 0 до π-β_рег через открытые управляемые вентили 14 и 19 происходит процесс поступления электроэнергии из генератора 4 в сеть, при котором сеть становится приемником электроэнергии, а генератор 4 - источником этой энергии, что соответствует режиму инвертирования.

На интервале времени от 0 до π-β на управляемый вентиль 16 второй цепочки 10 анодной группы 12 подают импульсы управления с регулируемым углом β_Рег, в результате чего происходит его отпирание.

Отпирание управляемого вентиля 16 приводит к запиранию управляемого вентиля 14 анодной группы 12, которые происходят за время, соответствующее углу γ_р регулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля 16 ток генератора 4 от плюсового вывода генератора 4 протекает через балластный резистор 5, плюсовую шину 22, управляемый вентиль 16, секции 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1, управляемый вентиль 19, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовый вывод. При этом величина напряжения инвертора уменьшается за счет того, что в контуре протекания тока генератора 1 не участвует секция 7 вторичной обмотки трансформатора 1.

Далее в момент времени π-β на управляемый вентиль 17 второй цепочки 10 катодной группы 11 подают импульсы управления с нерегулируемым углом β. В результате этого происходит его отпирание. Отпирание управляемого вентиля 17 второй цепочки 10 катодной группы 11 приводит к запиранию управляемого вентиля 19 катодной группы 11, которые происходят за время, соответствующее углу γ₁ нерегулируемой коммутации.

С момента открытия управляемого вентиля 17 ток генератора 4 от плюсового вывода генератора 4 протекает через балластный резистор 5, плюсовую шину 22, управляемый вентиль 17, секцию 8 вторичной обмотки трансформатора 1, управляемый вентиль 16, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовый вывод. При этом величина напряжения инвертора уменьшается за счет того, что в контуре протекания тока генератора 1 участвует только секция 8 вторичной обмотки трансформатора 1.

После запирания управляемого вентиля 19 в момент времени π-β+γ₁ на управляемый вентиль 13 первой цепочки 10 катодной группы 11 и на управляемый вентиль 20 четвертой цепочки 10 анодной группы 12 подают импульсы управления с нерегулируемым углом β+γ₁. В результате этого происходит их отпирание. Отпирание управляемого вентиля 13 первой цепочки 10 катодной группы 11 приводит к запиранию управляемого вентиля 17 третьей цепочки 10 катодной группы 11. Также отпирание управляемого вентиля 20 четвертой цепочки 10 анодной группы 12 приводит к запиранию управляемого вентиля 16 второй цепочки 10 анодной группы 12. Эти процессы происходят за время, соответствующее углу нерегулируемой коммутации γ₂ и завершается в момент времени π-δ.

С момента времени π-β+γ₁ до момента времени π-δ ток генератора 4 замыкается на время через открытые управляемые вентили 16 и 17 с образованием буферного контура. При этом ток генератора 4 от своего плюсового вывода протекает через балластный резистор 5, плюсовую шину 22, вентили 16 и 17, минусовую шину 21 и сглаживающий реактор 6 на свой минусовый вывод.

В течение этого времени электроэнергия генератора 4 прекращает поступать в сеть и, соответственно, прекращается режим инвертирования.

После отпирания управляемых вентилей 13 и 20 на интервале времени от 2π-δ до 2π через открытые управляемые вентили 13 и 20 происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор 4, при котором генератор 4 становится приемником электроэнергии сети, а секции 7, 8 и 9 вторичной обмотки трансформатора 1 - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления.

После смены полярности напряжения в следующем периоде напряжения процесс работы инвертора проходит аналогично рассмотренному периоду.

В результате, во второй, третьей и четвертой зонах регулирования в первом полупериоде на интервале от 0 до π-β+γ₁ и во втором полупериоде на интервале от π до 2π+β+γ₁ электроэнергия генератора инвертируется, т.е. возвращается в сеть, что приводит к увеличению времени, в течение которого происходит инвертирование, повышению среднего значения напряжения инвертора и, как следствие, к увеличению коэффициента мощности инвертора на второй, третьей и четвертой зонах регулирования и, как следствие, к повышению коэффициента мощности инвертора в целом.

Кроме того, в результате регулирования напряжения во второй, третьей и четвертой зонах качество электроэнергии в сети улучшается благодаря снижению амплитуд свободных колебаний напряжения за счет уменьшения скачков напряжения в процессе коммутации, что приводит в целом к улучшению качества электроэнергии в сети.

Таким образом, использование заявляемого способа управления повышает качество электроэнергии на токоприемнике электровоза за счет снижения амплитуды коммутационных свободных колебаний в кривой напряжения контактной сети и повышает коэффициент мощности инвертора в целом за счет повышения величины среднего выпрямленного напряжения инвертора, при котором происходит возврат электроэнергии генератора в сеть, и уменьшение потребления генератором электроэнергии сети.

Заявляемый способ реализован на математической модели зависимого инвертора электровоза переменного тока ВЛ80Р. Процессы моделирования работы инвертора показали, что величина выпрямленного напряжения инвертора на первой зоне составляет примерно 25% и на 2, 3 и 4-ю зонах составляет 75% всего выпрямленного напряжения. При этом по сравнению с прототипом коэффициент мощности инвертора на 4-й зоне увеличился на величину 3,5-11% и в среднем составляет 0,76. В то же время, коэффициент искажения синусоидальности напряжения в контактной сети по всем зонам регулирования снизился, по сравнению с прототипом на 22% и в среднем составляет 0,04. Снижение коэффициента искажения синусоидальности напряжения в контактной сети свидетельствует о повышении качества электроэнергии в сети.

Таким образом, использование заявляемого способа управления зависимым инвертором однофазного переменного тока позволяет при регулировании увеличить величину выпрямленного напряжения по всем четырем зонам примерно на 4%, по сравнению с прототипом. Повышение величины выпрямленного напряжения, при котором происходит возврат электроэнергии генератора в сеть, приводит в номинальном режиме на 4-й зоне к повышению коэффициента мощности инвертора в среднем примерно на 3,5%. В итоге, коэффициент мощности инвертора составляет в среднем 0,76 против 0,725 в прототипе, а коэффициент искажения синусоидальности напряжения в контактной сети на токоприемнике электровоза составляет 0,04 против 0,06 в прототипе.