Способ реализации рекуперативного торможения без балластных резисторов на электровозах переменного тока

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

Известны электровозы ВЛ80Р, 2 (3, 4) ЭС5К и др., в которых в качестве инвертора применяются тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИЛ), подключенные в режиме рекуперативного торможения к блокам балластных резисторов (ББР) и якорям тяговых электродвигателей (ТЭД) [1, 2]. Основным недостатками данной схемы являются низкий коэффициент мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения (не более 65%).

Принятый закон управления инвертором по постоянному углу запаса тиристоров 8=const вынуждает применять дополнительное активное стабилизирующее сопротивление, в роли которого на электровозах переменного тока выступают блоки балластных резисторов, наличие которых влечет за собой ряд существенных недостатков, основными из которых являются невозможность реализации полной 4 зоны регулирования напряжения ВИЛ в режиме рекуперативного торможения (тормозные характеристики ограничены на уровне 3.5 зоны, ввиду падения напряжения на ББР); снижение величины активной электроэнергии, отдаваемой электровозом в тяговую сеть, и, как следствие, снижение его коэффициента мощности.

Блок балластных резисторов предназначен для обеспечения статической устойчивости режима рекуперативного торможения и выравнивания токов между параллельно включенными ТЭД, работающими в режиме генераторов. В связи с принятым законом управления инвертором электровоза δ=const внешняя характеристика инвертора имеет падающий характер, а внешняя характеристика генератора без дополнительного активного сопротивления практически прямолинейна, ввиду того, что из-за небольшого внутреннего сопротивления ТЭД падение напряжения в нем с ростом тока невелико. Причем, напряжение генератора всегда должно быть больше напряжения инвертора на некоторую величину ΔU. Для обеспечения статической устойчивости режима рекуперативного торможения, которая определяется точкой пересечения внешних характеристик генератора и инвертора, необходимо увеличивать наклон характеристики генератора путем ввода дополнительного активного сопротивления, поэтому применение ББР в силовой цепи электровоза в режиме рекуперативного торможения является вынужденной мерой при работе тиристорных ВИЛ. На сегодняшний день, в связи с развитием силовой электронники имеется возможность организовать работу режима рекуперации электровоза без блоков балластных резисторов, при этом обеспечив выполнение его функций с помощью полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов.

Известен способ повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении электровоза и устройство для его реализации [3]. Устройство состоит из трансформатора, тиристорного выпрямительно-инверторного преобразователя, сглаживающего реактора, тягового электродвигателя, диодов, балластных резисторов, шунтирующих ключей и схемы управления ими. Способ заключается в том, что часть балластных резисторов шунтируются управляемым ключом, в роли которого выступает IGBT-транзистор, и в моменты, когда напряжение сети превышает некоторый пороговый уровень или для замыкания ключа может использоваться информация о моменте перехода напряжения сети через ноль. Данный прототип имеет ряд недостатков: блоки балластных резисторов полностью не исключаются из силовой цепи; усложняется силовая схема и схема управления электровозом, что в свою очередь негативно сказывается на надежности.

Известен многозонный выпрямительно-инверторный преобразователь и способ управления преобразователем, содержащий параллельные ключевые мосты, трансформатор с одной или более вторичными обмотками, диодное плечо, образующие схему двухполупериодного мостового выпрямителя с возможностью зонно-фазового регулирования, соединенного с коллекторным тяговым электродвигателем и подключенным последовательно ТЭД блоком балластных резисторов. Каждое ключевое управляемое плечо состоит из последовательно включенных диода и управляемого электронного ключа, в качестве которого используется IBGT-транзистор (модуль) [4].

Главным достоинством рассматриваемого ВИЛ является то, что в основе силовой схемы используются полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (IGBT-транзисторы), которые позволяют полностью управлять временем включения и отключения плеч ВИЛ, что в свою очередь обеспечивает больший коэффициент мощности электровоза по сравнению со штатным ВИЛ. Следует отметить, что рассматриваемая схема преобразователя и способ его управления изложены только для тягового режима электровоза.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ управления в режиме рекуперативного торможения многозонного выпрямительно-инверторного преобразователя на базе IGBT-транзисторов [5]. Достоинством наиболее близкого способа является максимальное повышение коэффициента мощности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения за счет включения и отключения управляемых плеч ВИЛ в определенные моменты времени с целью снижения реактивной мощности, потребляемой электровозом.

В вышеперечисленных способах можно отметить общий недостаток - это невозможность реализации рекуперативного торможения без блоков балластных резисторов. Внешние характеристики рассматриваемого преобразователя (как и штатного ВИЛ) имеют отрицательный наклон, что говорит о невозможности реализации рекуперации торможения без стабилизирующего сопротивления.

На Фиг. 1 показаны внешние характеристики генератора с блоками балластных резисторов и без них, внешняя характеристика инвертора при законе управления ВИЛ δ=const, где Е_г без ББР - электродвижущая сила (ЭДС) генератора без блоков балластных резисторов, Е_г с ББР - ЭДС генератора с блоками балластных резисторов в его цепи, Е_и - ЭДС инвертора электровоза.

На Фиг. 2 показан многозонный ВИЛ переменного тока 11, который содержит несколько зон на основе параллельных ключевых мостов, соединенных с одной или более вторичными обмотками трансформатора 2, который через пантограф электровоза 1 подключен к контактной сети, а также разрядное диодное плечо 6, сглаживающий реактор 7. Может содержать несколько параллельных ветвей (от 1 до n), состоящих из коллекторного тягового электродвигателя пульсирующего тока 8, обмотки возбуждения 10, блоков балластных резисторов 9. Ключевые управляемые плечи 3 (плечи 1…8) состоят из последовательно включенного диода 5 и силового электронного ключа 4, в качестве которого используется IGBT-транзистор (модуль). Ключевые управляемые плечи образуют схему двухполупериодного мостового инвертора с возможностью зонно-фазового регулирования.

На Фиг. 3а показаны напряжение первичной обмотки трансформатора и диаграмма напряжения инвертора при работе ВИЛ на базе IGBT-транзисторов и его способе управления в режиме рекуперативного торможения.

На Фиг. 3б показаны напряжение первичной обмотки трансформатора и диаграмма напряжения инвертора на базе IGBT-транзисторов с предлагаемым способом регулирования угла открытия разрядного плеча в зависимости от величины тока генератора.

На Фиг. 4 показаны внешние характеристики генератора и инвертора при предлагаемом способе управления. Е_г - ЭДС генератора без блоков балластных резисторов, Е_и - ЭДС инвертора электровоза.

Внешняя характеристика генератора без блоков балластных резисторов сопротивления не имеет наклона, так как без дополнительного активного сопротивления в цепи генератора падение напряжения с ростом величины тока

невелико. Регулирование угла W_wreg от 0 до в зависимости от величины тока генератора влияет на наклон внешней характеристики инвертора. Предлагаемый способ повышения коэффициента мощности заключается в том, что при регулировании величины угла рабочей зоны разрядного плеча W_w по переднему фронту от 0 до в зависимости от тока генератора имеется возможность влиять на положение внешней характеристики инвертора, которая при предлагаемом способе управления отвечает за устойчивость рекуперативного торможения. В точке 1 (фиг. 4) при токе генератора равном нулю I_г = 0 с целью уменьшения среднего значения напряжения инвертора для обеспечения устойчивости режима рекуперации и необходимой величины ΔU система формирует сигнал управления закрытия разрядного плеча с максимально возможной задержкой по фазе W_wreg и по мере нарастания тока генератора вплоть до номинального его значения I_г=1_н время работы разрядного плеча уменьшается, тем самым обеспечивая увеличение среднего значения напряжения инвертора с увеличением тока генератора, что в свою очередь придает внешней характеристике инвертора положительный наклон и обеспечивает ее пересечение с внешней характеристикой генератора в точке номинального значения тока.

Таким образом, данный способ управления преобразователем позволяет обеспечить статическую устойчивость процесса рекуперации без применения блоков балластных резисторов.

Работа предлагаемого способа отличается от прототипа следующим: алгоритмом управления разрядным диодным плечом, включенным последовательно ему полностью управляемого электронного ключа, обеспечивается статическая устойчивость режима рекуперативного торможения путем придания положительного наклона внешней характеристики инвертора, что в свою позволяет реализовать рекуперативное торможение без блоков балластных резисторов.

Техническим результатом является повышения коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения, расширение области тормозных характеристик электровоза и увеличение возврата электровозом электроэнергии в контактную сеть.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Электровоз ВЛ80Р: Руководство по эксплуатации [Текст] / Под ред. Б.А. Тушканова. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с.: ил., табл.

2. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К): Руководство по эксплуатации [Текст] / Новочеркасск: 2007. т. 1 - 635 с., т. 2 - 640 с.

3. Патент РФ 2458452, МПК Н02Р. Способ повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении электровоза и устройство для его реализации [Текст] / Портной А.Ю., Мельниченко О.В., Шрамко С.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». - №2010125801/07; заявл. 23.06.2010; опубл. 10.08.2012, Бюл. №36. -8 с.: ил.

4. Патент РФ 2498490, МПК Н02М, Н02Р, G05F, B60L. Многозонный выпрямительно-инверторный преобразователь и способ управления преобразователем [Текст] / Портной А.Ю., Мельниченко О.В., Шрамко С.Г., Полуянов А.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». - №2012114982/07; заявл. 16.04.2012; опубл. 10.11.2013, Бюл. №31. - 7 с.: ил.

5. Патент РФ 2573821, МПК Н02Р. Способ управления в режиме рекуперативного торможения многозонного выпрямительно-инверторного преобразователя [Текст] / Мельниченко О.В., Яговкин Д.А., Портной А.Ю., Шрамко С.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». - №2014106587/07; заявл. 20.02.2014; опубл. 27.01.2016 Бюл. №3. - 7 с.: ил.