Изобретение относится к электротехнике , в частности к преобразовательной технике, а конкретнее - к многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем ( ВИП) , которые могут быть использованы в электроподвижном составе ( электровозы и электропоезда ) , получающем питание от контактной сети однофазного переменного тока .

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Эксплуатация многозонных ВИП на электровозах переменного тока, построенных на управляемых вентилях - тиристорах, сопровождается невысоким коэффициентом мощности в режимах выпрямителя и инвертора за счет достаточно большого угла сдвига фаз ср между первой гармоникой тока и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза . Причем в этом угле сдвига фаз в режиме выпрямителя фаза тока отстает от фазы напряжения, а в режиме инвертора опережает . Это вызывает значительное потребление преобразователем электромагнитной (реактивной) энергии сети .

Большая величина угла <р вызывается достаточно большими величинами нерегулируемого фазового угла «о (минимальная величина интервала времени от нуля напряжения до момента подачи импульсов управления на тиристоры) в режиме выпрямителя и угла опережения Р (интервал времени от начала подачи импульсов управления на тиристоры до момента времени п прохода кривой переменного напряжения сети через нуль ) в режиме инвертора, необходимых для отпирания тиристоров , а также угла у естественной основной коммутации токов тиристоров при смене полупериодов напряжения, вызываемого большими величинами тока в тяговых двигателях (режим выпрямителя) и генераторах (режим инвертора ) , а также индуктивного сопротивления цепи переменного тока преобразователя .

Для повышения коэффициента мощности преобразователя к его выходным ( катодной и анодной) шинам подключают силовой неуправляемый вентиль - диод, через который в режиме выпрямителя разряжается накопленная в индуктивности цепи выпрямленного тока нагрузки электромагнитная энергия, а в режиме инвертора разряжается электромагнитная энергия цепи переменного тока . Известны различные способы включения и выключения диода между катодной и анодной шинами ВИП . Одним из таких способов является последовательное подключение к диоду полупроводникового полностью управляемого прибора - транзистора, который своим открытием включает диод и закрытием выключает диод . Известны также различные пути повышения коэффициента мощности многозонного ВИП за счет уменьшения угла ср . Одним из таких путей является разбиение естественной основной коммутации тока тиристоров (угла у) , происходящей при смене полупериодов напряжения сети, на два интервала, один из которых протекает в предыдущем полупериоде до точки прохода напряжения через нуль , а второй в последующем полупериоде после этой точки .

Известен способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока, содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока нагрузки неуправляемым вентилем - диодом. Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя на всех зонах регулирования, в подаче на тиристоры плеч моста 1-й зоны импульсов управления с регулируемым фазовым углом а _Р ег и в переводе накопленной в индуктивности цепи выпрямленного тока электромагнитной (реактивной) энергии в нагрузку ( тяговые двигатели) путем шунтирования цепи выпрямленного тока диодом, катод которого присоединен к катодной, а анод к анодной шинам выпрямителя (патент RU 2322749 С1 ) . Благодаря диоду уменьшается реактивная и увеличивается активная составляющие полной энергии переменного тока сети, выпрямляемого выпрямителем для потребления тяговыми двигателями . Это повышает коэффициент мощности выпрямителя электровоза . Недостатком данного способа управления многозонным выпрямителем является то, что включение диода при возникновении режима выпрямления и его отключение от анодной шины при прекращении этого режима производится с помощью механического силового контакта переключателя, что снижает надежность работы выпрямителя .

Известен зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока, содержащий четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока инвертора неуправляемым вентилем - диодом, катод которого присоединен к анодной, а анод к катодной шинам инвертора ( патент RU 2561068 С1 ) . Включение диода позволяет уменьшить угол запаса 5 инвертора, обусловленный уменьшением угла коммутации у инвертора, что уменьшает угол сдвига фаз <р . Уменьшение угла <р снижает реактивную и повышает активную составляющие полной энергии переменного тока, возвращаемой генераторами в сеть при инвертировании постоянного тока в переменный в режиме рекуперативного торможения электровоза . Это позволяет повысить коэффициент мощности преобразования на всех четырех зонах регулирования напряжения при сохранении регулирования напряжения на этих зонах в широком диапазоне, что является достоинством такого зависимого многозонного инвертора . Отключение диода от анодной шины при прекращении режима инвертирования производится с помощью силового контакта тормозного переключателя . Недостаток такого зависимого многозонного инвертора заключается в том, что даже при увеличенном коэффициенте мощности на всех зонах регулирования отключение диода от анодной шины при прекращении режима инвертирования производится с помощью силового контакта переключателя, снижающего надежность работы инвертора .

Известен способ управления многозонным выпрямительноинверторным преобразователем однофазного переменного тока с высоким коэффициентом мощности преобразователя на всех зонах регулирования, в котором осуществляется шунтирование цепи выпрямленного тока преобразователя двумя цепочками, каждая из которых предназначена только для одного режима ( выпрямителя или инвертора) и выполнена из последовательно соединенных силовых неуправляемого вентиля - диода и управляемого вентиля - тиристора, подключенных между катодной и анодной шинами преобразователя (патент RU 2561913 С1 ) . Для режима выпрямителя включена только первая цепочка, в которой катод диода подключают к катодной шине , а анод тиристора к анодной шине преобразователя, а для режима инвертора включена только вторая цепочка, в которой катод диода подключают к анодной шине , а анод тиристора к катодной шине преобразователя . Способ заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя и инвертора на всех зонах регулирования, в шунтировании цепи выпрямленного тока одной из двух (первой или второй) цепочек с целью разряда через нее реактивной энергии и бесконтактном отключении каждой из них с помощью тиристора от анодной или катодной шины при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот . Такой способ управления повышает коэффициент мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора , а также повышает надежность работы преобразователя по сравнению с контактными схемами перехода из режима выпрямителя в инвертор и наоборот . Недостатком данного способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем является то, что для каждого режима работы преобразователя нужна своя отдельная цепочка из последовательно соединенных диода и тиристора , которая шунтирует цепь выпрямленного тока, т . е . необходимо иметь две цепочки согласно двум режимам работы преобразователя . Кроме того, в каждой цепочке находится управляемый вентиль - тиристор, который включается на период работы преобразователя в режиме выпрямителя или инвертора и выключается при окончании работы преобразователя в одном из этих режимов . Таким образом, тиристор выступает только в роли бесконтактного ключа на время работы преобразователя, но не выполняет роли регулятора , способного влиять на величину коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя или инвертора .

Известен способ управления многозонным выпрямительноинверторным преобразователем однофазного переменного тока с высоким коэффициентом мощности и высокой надежностью работы преобразователя на всех зонах регулирования, содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов с шунтированием цепи выпрямленного тока нагрузки в режимах выпрямителя и инвертора цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной, а коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя (патент RU 2689786 С1 ) . Управление включением транзистора на интервале каждого полупериода напряжения сети осуществляется с помощью подачи на его базу отпирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на всех зонах регулирования в момент времени cot = 0 , а в режиме инвертора в момент времени wt = п - 20 ° . Управление выключением транзистора на интервале каждого полупериода напряжения сети осуществляется с помощью подачи на его базу запирающего сигнала управления в режиме выпрямителя на первой зоне регулирования в момент времени cot = «per и на остальных зонах выше первой в момент времени cot =10 ° , а в режиме инвертора на всех зонах в момент времени cot = п . Благодаря шунтированию в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода и транзистора и присоединенной катодом диода к катодной и коллектором транзистора к анодной шинам преобразователя, а также управлению в каждом полупериоде напряжения сети включением и выключением транзистора в соответствующие моменты времени, происходит увеличение коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования и повышение надежности его работы, что является достоинством данного способа управления . Недостатком данного способа управления является недостаточно высокое увеличение (на 4-й зоне регулирования в номинальном режиме работы не превышает 0 , 89 для выпрямителя и 0 , 87 для инвертора ) коэффициента мощности преобразователя .

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока, содержащим четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов (патент RU 2716493 С1 ) . Способ управления позволяет преобразователю достигать высокого коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования кроме первой и иметь высокую надежность его работы. Данный способ управления заключается в регулировании выпрямленного напряжения выпрямителя на всех зонах регулирования, в шунтировании цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода, параллельно которому присоединен конденсатор, и транзистора, встречно-параллельно которому присоединен второй силовой диод, и управлении в соответствующие моменты времени включением транзистора в предыдущем полупериоде напряжения и его выключением в последующем полупериоде напряжения сети . В свою очередь цепочка присоединена анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, Шунтирование цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой осуществляют путем включения транзистора, управление которым происходит в каждом предыдущем полупериоде напряжения сети с помощью подачи на него отпирающего сигнала управления в момент времени wt = п - 25° , а бесконтактное отключение цепочки осуществляют путем выключения транзистора, управление которым происходит в каждом последующем полупериоде напряжения с помощью подачи на него запирающего сигнала управления в момент времени cot = 25° . Благодаря шунтированию в режимах выпрямителя и инвертора цепи выпрямленного тока преобразователя цепочкой, состоящей из последовательно соединенных силовых диода, параллельно которому присоединен конденсатор, и транзистора, встречно-параллельно которому присоединен второй силовой диод, и управлению в соответствующие моменты времени включением транзистора в предыдущем полупериоде напряжения и его выключением в последующем полупериоде напряжения сети, происходит увеличение коэффициента мощности преобразователя на всех зонах регулирования и повышение надежности его работы, что является достоинством данного способа управления . Недостатком данного способа управления является недостаточно высокое увеличение коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора на первой зоне регулирования в номинальном режиме его работы (не превышает 0 , 65 ) .

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике , в частности к преобразовательной технике , и может быть использовано в качестве способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем на электроподвижном составе, получающим питание от контактной сети однофазного переменного тока.

Техническим результатом является увеличение коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя однофазного переменного тока на первой зоне при номинальной нагрузке в режиме выпрямителя с 0,65 до 0,96, т. е. на 32%, а в режиме инвертора - с 0,61 до 0,95, т.е. на 35%.

В соответствии с одним из аспектов изобретения предлагается многозонный выпрямительно-инверторный преобразователь однофазного переменного тока, содержащий, по меньшей мере, две зоны на основе параллельных тиристорных мостов, и имеющий анодную (21) и катодную (20) шину выпрямленного тока, в котором: между анодной (21) и катодной (21) шиной преобразователя подключен шунт (24) включающий:

(i) первый силовой диод (22) , анод которого подключен к анодной шине (21) упомянутого преобразователя,

(ii) конденсатор (28) , подключенный параллельно первому силовому диоду (22) ,

(iii) второй силовой диод (29) , катод которого подключен к катоду упомянутого первого силового диода (21) , а анод - к катодной шине (21) ,

(iv) транзистор (23) , коллектор которого подключен к катоду первого силового диода (22) , а эмиттер - к катодной шине (20) , характеризующийся тем, что преобразователь выполнен с возможностью включения и выключения посредством упомянутого транзистора (23), таким образом, что в режиме выпрямителя и инвертора при регулировании выпрямленного напряжения на упомянутой первой зоне, осуществляют включение транзистора (23) в диапазоне фазовых углов напряжения сети от cot = п - 25° до cot = п - 85°, а выключение - в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от cot = 85° до cot = 25°.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока, содержащем четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов, при регулировании выпрямленного напряжения шунтируют цепь выпрямленного тока преобразователя с помощью включения цепочки, состоящей из последовательно соединенных силовых диода, параллельно которому присоединен конденсатор, и включенного транзистора, встречно-параллельно которому присоединен второй силовой диод, и присоединенной анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, а выключение указанной цепочки выполняют бесконтактно с помощью выключения транзистора при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот . Регулирование выпрямленного напряжения преобразователя на первой зоне осуществляют путем управления регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от cot = п - 85° до at = п - 25° и управления регулированием момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от cot = 85° до cot = 25° .

Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока реализуется в устройстве, содержащем однофазный трансформатор, четырехзонный выпрямительно-инверторный преобразователь на основе параллельных тиристорных мостов, цепочку из силовых диода и транзистора, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору встречно-параллельно второй силовой диод, цепь выпрямленного тока преобразователя (потребитель тока в режиме выпрямителя или источник напряжения в режиме инвертора) .

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока с высоким коэффициентом мощности преобразователя на всех зонах регулирования, включая и первую зону, и высокой надежностью работы преобразователя на всех зонах регулирования выпрямленного напряжения в режимах выпрямителя и инвертора за счет значительного уменьшения на первой зоне регулирования угла сдвига фаз между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза, обусловленного изменением на этой зоне при регулировании выпрямленного напряжения момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения и его выключения в последующем полупериоде напряжения сети .

Для решения поставленной задачи в известном способе управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока, содержащем четыре зоны на основе параллельных тиристорных мостов , заключающемся в регулировании выпрямленного напряжения на всех зонах регулирования в режимах выпрямителя и инвертора , шунтировании цепи выпрямленного тока преобразователя с помощью включения цепочки, состоящей из последовательно соединенных силовых диода, параллельно которому присоединен конденсатор, и включенного транзистора , встречно-параллельно которому присоединен второй силовой диод, и управлении в соответствующие моменты времени включением транзистора в предыдущем полупериоде напряжения и его выключением в последующем полупериоде напряжения сети, увеличение коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании их выпрямленного напряжения на первой зоне осуществляют с помощью управления регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от tot = п - 25° до at = п - 85° и управления регулированием момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от cot = 85° до cot = 25° .

Благодаря управлению регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от cot = п - 25° до cot = п - 85° и управлению регулированием момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от cot = 25° до cot = 85° осуществляется увеличение коэффициента мощности преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора на первой зоне регулирования .

Это обусловлено следующим. Управление регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от at = п - 25° до cot = п - 85° и регулирование момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от c t = 25° до cot = 85° приводит к симметричной форме кривой выпрямленного напряжения преобразователя и кривой переменного тока относительно точек прохода через нуль ( 0 , п, 2п) кривой переменного напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора во всем диапазоне регулирования моментами времени включения и выключения транзистора . В результате, угол сдвига фаз ср между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора становится минимальным и стремится к нулю, что уменьшает реактивную и увеличивает активную составляющие полной мощности переменного тока . Это ведет к увеличению коэффициента мощности преобразователя на первой зоне регулирования .

За счет включения и выключения шунта в описанных выше диапазонах фазовых углов обеспечивается симметричная форма кривой выпрямленного напряжения преобразователя и кривой переменного тока относительно точек прохода через нуль ( 0, п, 2п) кривой переменного напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора во всем диапазоне регулирования моментами времени включения и выключения транзистора - угол сдвига фаз ср между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора становится минимальным и стремится к нулю - уменьшение реактивной и увеличение активной составляющих полной мощности переменного тока - увеличение коэффициента мощности преобразователя на первой зоне регулирования» .

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг . 1 представлена принципиальная электрическая схема четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя по заявляемому способу управления .

На фиг . 2 показаны процессы работы на первой зоне регулирования четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме выпрямителя по заявляемому способу управления . На фиг . 3 показаны процессы работы на первой зоне регулирования четырехзонного выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме инвертора .

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока осуществляется, например, в устройстве , содержащем однофазный трансформатор, четырехзонный выпрямительно-инверторный преобразователь на основе параллельных тиристорных мостов, цепочку из силовых диода и транзистора, в которой к диоду параллельно присоединен конденсатор, а к транзистору встречно-параллельно второй силовой диод, цепь выпрямленного тока преобразователя (потребитель тока в режиме выпрямителя или источник напряжения в режиме инвертора ) .

Однофазный трансформатор имеет первичную обмотку 1 , подключенную к источнику 2 питающего напряжения сети, и вторичную обмотку, выполненную в виде трех последовательно соединенных секций 3 , 4 , 5 с выводами 6, 7 , 8 , 9 от каждой из них . Первые две малые секции 3 и 4 имеют равное количество витков, а третья большая секция 5 имеет в два раза большее количество витков по сравнению с ними, т . е . равна сумме первых двух секций 3 и 4 .

Четырехзонный выпрямительно-инверторный преобразователь выполнен из параллельных тиристорных мостов, состоящих из нескольких цепочек тиристорных плеч . Каждая цепочка содержит пару 10-11 , 12-13, 14-15 и 16-17 последовательно соединенных тиристорных плеч . Все четные 10 , 12 , 14 и 16 тиристорные плечи образуют катодную 18 , а все нечетные 11 , 13 , 15 и 17 тиристорные плечи анодную 19 группы плеч преобразователя . Катоды всех тиристорных плеч катодной группы 18 , соединенные в одну общую точку схемы, образуют катодную шину 20 , а аноды всех тиристорных плеч анодной группы 19, соединенные в другую общую точку схемы, образуют анодную шину 21 преобразователя . Средние точки цепочек подключены к соответствующим выводам секций 3 , 4 , 5 вторичной обмотки трансформатора . Неуправляемый вентиль - диод 22 и транзистор 23 образуют цепочку 24 , в которой диод 22 и транзистор 23 последовательно соединены между собой, т . е . катод диода 22 соединен с коллектором транзистора 23 . Цепочка 24 присоединена анодом диода 22 к анодной шине 21 и эмиттером транзистора 23 к катодной шине 20 преобразователя . В цепочке 24 к диоду 22 параллельно присоединен конденсатор 28 , а к транзистору 23 встречнопараллельно второй силовой диод 29 . К катодной 20 и анодной 21 шинам присоединена цепь 25 выпрямленного тока преобразователя .

Цепь 25 включает в себя сглаживающий реактор 26 и электрическую машину 27 постоянного тока, включенные между собой последовательно . Цепь 25 подключена со стороны сглаживающего реактора 26 к катодной 20 , а со стороны электрической машины 27 к анодной 21 шинам преобразователя .

Схема первой зоны регулирования в преобразователе образуется из секции 4 с выводами 7 и 8 , которые соединены соответственно со средними точками цепочек тиристорных пар 12-13 и 14-15 . В результате образуется преобразователь по типовой однофазной мостовой схеме из тиристорных плеч 12 , 13 , 14 и 15 . Все остальные зоны (2 , 3 и 4 ) образуются путем последовательного соединения соответствующих двух секций вторичной обмотки трансформатора исходя из величины их напряжений, выводы которых соединяются со средними точками цепочек соответствующих тиристорных плеч преобразователя . В результате, на каждой зоне образуется схема из двух параллельных тиристорных мостов , состоящих из трех цепочек тиристорных плеч .

Способ управления многозонным выпрямительно-инверторным преобразователем однофазного переменного тока заключается в увеличении коэффициента мощности и повышении надежности работы преобразователя на первой зоне регулирования в режимах выпрямителя и инвертора при регулировании их выпрямленного напряжения путем шунтирования цепи выпрямленного тока преобразователя с помощью включения цепочки, состоящей из последовательно соединенных силовых диода , параллельно которому присоединен конденсатор, и включенного транзистора, встречнопараллельно которому присоединен второй силовой диод, и присоединенной анодом диода к анодной и эмиттером транзистора к катодной шинам преобразователя, бесконтактного выключения указанной цепочки с помощью выключения транзистора при переходе преобразователя из режима выпрямителя в инвертор и наоборот, управления регулированием момента времени включения транзистора в предыдущем полупериоде напряжения в диапазоне фазовых углов от wt = п - 85° до cot = п - 25° и управления регулированием момента времени выключения транзистора в последующем полупериоде напряжения сети в диапазоне от cot = 85° до cot = 25° .

Работа выпрямителя на первой зоне ( см. фиг . 1 ) осуществляется путем подачи однофазного переменного напряжения от источника питания сети 2 на первичную обмотку 1 трансформатора . Далее секция 4 его вторичной обмотки подает напряжение на средние точки цепочек тиристорных плеч 12-13 и 14- 15 выпрямителя . С помощью этих плеч переменное напряжение секции 4 выпрямляется и подается на цепь 25 выпрямленного тока нагрузки, в качестве которой при работе выпрямителя выступает электрическая машина - тяговый двигатель постоянного тока .

Процесс регулирования выпрямленного напряжения выпрямителя на первой зоне начинается не с конца первого и второго полупериодов (как в типовом однофазном выпрямителе ) , обозначенных на фиг . 2 соответственно сплошной и пунктирной стрелками, а ближе к середине ( 90° ) полупериодов напряжения, т . е . с момента времени cot = 85° . В этот момент времени на тиристоры плеч 12 , 15 в первом полупериоде и плеч 13 , 14 во втором полупериоде начинают подаваться отпирающие сигналы управления с фазой с<р (индекс «р» обозначает регулирование ) , которые включают тиристоры указанных плеч . В результате , на выходных выводах (шины 20 и 21 ) выпрямителя появляется выпрямленное напряжение . Одновременно это напряжение своим потенциалом запирает открытый в предыдущем полупериоде напряжения транзистор 23 и между ними происходит коммутация тока (ток тиристоров плеч 12 , 15 или 13 , 14 возрастает от нуля до установившегося значения, а ток транзистора 23 от установившегося значения спадает до нуля ) . С этого момента времени в каждом (первом и втором) полупериоде напряжения выпрямленный ток поступает не только в цепь 25 ( сглаживающий реактор 26 и двигатель 27 ) , но и через диод 29 заряжает конденсатор 28 , который заряжается до амплитудного значения напряжения секции 4 вторичной обмотки трансформатора . Далее, в момент времени cot = п - 85° = 95° в каждом полупериоде напряжения включают транзистор 23 путем подачи на него сигнала управления с фазой р _р . Заряженный до амплитудного значения переменного напряжения секции 4 конденсатор 23 разряжается через диод 22 и транзистор 23 на цепь 25 и своим большим потенциалом в начале разряда закрывает тиристоры плеч 12 , 15 в первом и плеч 13 , 14 во втором полупериодах напряжения . Далее до конца первого полупериода напряжения ( точки п) и затем от начала второго полупериода до момента времени cot = 85° открыты только транзистор 23 и диод 22 , через которые происходит разряд электроэнергии конденсатора 28 и накопленной в индуктивности цепи 25 выпрямленного тока электромагнитной (реактивной) энергии . На этом интервале времени тиристоры плеч 12 , 15 и 13 , 14 закрыты и со стороны секции 4 вторичной обмотки трансформатора в цепь 25 напряжение Дар интервале времени в цепи 25 протекает ток, образованный разрядом электроэнергии конденсатора 28 и накопленной в индуктивности цепи 25 электромагнитной энергии . В результате, расхода активной электроэнергии в нагрузке ( тяговый двигатель ) со стороны сети не происходит, а реактивная энергия конденсатора 28 и реактивная энергия, запасенная в цепи 25 , используются полезно в нагрузке, увеличивая таким образом общее количество полезной электроэнергии в двигателе на производство его механической работы. На выходе выпрямителя возникает начальное значение (небольшое в среднем по величине ) симметричное относительно точек 0 и п ( точки прохода напряжения сети через нуль ) выпрямленное напряжение Ud, а в первичной обмотке трансформатора начальное значение переменного тока ii . В дальнейшем, по мере одновременного перемещения (регулирования ) фазы отпирающих сигналов управления _р влево от момента времени wt = 85° и фазы отпирающих сигналов управления (3 _Р вправо от момента времени cot = п - 85° происходит постепенное увеличение в среднем выпрямленного напряжения Ud и переменного тока ii . Диапазон регулирования Да _р для сигналов управления а _рег заканчивается в момент времени cot = 25°, а диапазон Д[3 _Р для сигналов управления р _Р в момент времени wt = п - 25° . В эти моменты времени напряжение на и ток ii становятся в среднем максимальными для первой зоны регулирования . Причем угол сдвига фаз ср между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза имеет небольшую величину и приближается к нулю, а коэффициент мощности выпрямителя имеет наибольшую величину и приближается к 1 . На фиг . 2 в качестве примера представлены процессы работы выпрямителя на первой зоне в момент времени cot = 60° для фазы сигналов управления ос _р , подаваемых для открытия тиристоров плеч 12 , 15 и 13 , 14 , и в момент времени cot = 120° для фазы сигналов управления [З _р , подаваемых для открытия транзистора 23 .

Работа выпрямителя на 2 , 3 и 4 зонах регулирования и процессы регулирования выпрямленного напряжения на них осуществляются аналогично работе и процессам выпрямителя на этих зонах, описанным в прототипе .

Работа инвертора на первой зоне (см. фиг . 1 ) осуществляется путем перевода цепи 25 выпрямленного тока преобразователя из режима потребителя (двигатель 27 постоянного тока с последовательным возбуждением и сглаживающий реактор 26 ) в режим источника напряжения постоянного тока ( генератор 27 постоянного тока с независимым возбуждением, вращение якоря которого осуществляется через механический редуктор от вращения колесной пары в тележке электровоза, и сглаживающий реактор 26 ) . Положительный потенциал напряжения генератора 27 прикладывается к анодной шине 21 , а его отрицательный потенциал через сглаживающий реактор 26 прикладывается к катодной шине 20. От источника питания сети 2 на первичную обмотку 1 трансформатора подается однофазное переменное напряжение , а далее уже с секций 3 , 4 , 5 и 6 его вторичной обмотки напряжение подается на средние точки цепочек тиристорных плеч 10-11 , 12-13 , 14-15 и 16-17 , из которых собирается та или иная зоны инвертора . Так, на первой зоне секция 4 вторичной обмотки трансформатора подает переменное напряжение на средние точки цепочек тиристорных плеч 12-13 и 14- 15 . Благодаря соответствующему управлению тиристорами указанных плеч на шинах 20 и 21 возникает выпрямленное напряжение с положительным потенциалом на шине 21 и отрицательным потенциалом на шине 20 . В результате преобразователь приобретает режим работы однофазного зависимого от частоты напряжения сети ( ведомого сетью) инвертора, в котором напряжение генератора 27 по величине должно быть несколько больше выпрямленного напряжения инвертора . За счет этой разницы величин напряжений постоянный ток генератора 27 через тиристоры плеч 13 , 14 в первом полупериоде напряжения сети и 12 , 15 во втором полупериоде поступает в обмотку секции 4 , а затем путем трансформации поступает в первичную обмотку 1 трансформатора и далее в сеть . С помощью независимого возбуждения генератора такое условие всегда выполняется и через инвертор происходит преобразование (инвертирование ) постоянного тока генератора в переменный ток сети .

Процесс регулирования выпрямленного напряжения инвертора на первой зоне начинается с начала первого и второго полупериодов, обозначенных на фиг . 3 соответственно сплошной и пунктирной стрелками, т . е . с момента времени cot = 25° . В этот момент времени на тиристоры плеч 12 , 15 в первом полупериоде и плеч 13 , 14 во втором полупериоде начинают подаваться отпирающие сигналы управления с фазой а _р , которые включают тиристоры указанных плеч . В результате, на выходных выводах (шины 21 и 20 ) инвертора появляется начальное выпрямленное напряжение иа, которое по форме является симметричным относительно точек 0 и п ( точки прохода напряжения сети через нуль ) выпрямленным напряжением и . В первичной обмотке трансформатора в это время протекает переменный тока ii, который является также симметричным по форме относительно точек 0 и п . Одновременно в этот же момент времени закрывают транзистор 23 путем снятия с него сигнала управления с фазой Ор, который был открыт в предыдущем полупериоде напряжения в момент времени c t = п - 25° . Между транзистором 23 и тиристорами плеч 12 , 15 или 13 , 14 происходит коммутация тока ( ток тиристоров плеч 12 , 15 или 13 , 14 возрастает от нуля до установившегося значения, а ток транзистора 23 спадает от установившегося значения до нуля ) . С этого момента времени в каждом (первом и втором) полупериоде напряжения ток генератора 27 , преодолевая выпрямленное напряжение инвертора, проходит не только по цепи 25, но и поступает через тиристоры плеч 12 , 15 или 13 , 14 в обмотку секции 4 и далее путем трансформации в первичную обмотку поступает в сеть . Далее, в момент времени Qt = п - 25° в каждом полупериоде напряжения включают транзистор 23 путем подачи на него сигнала управления с фазой р . Транзистор 23 открывается благодаря более высокому потенциалу напряжения генератора 27 на его коллекторе по отношению к напряжению секции 4 вторичной обмотки трансформатора . Включение транзистора 23 вызывает закрытие тиристоров плеч 12 , 15 или 13 , 14 в зависимости от номера полупериода напряжения и между ними происходит процесс коммутации, когда ток тиристоров плеч 12 , 15 или 13 , 14 спадает от установившегося значения до нуля, а ток транзистора 23 возрастает от нуля до установившегося значения . Далее до конца первого полупериода напряжения ( точки п ) и затем от начала второго полупериода до момента времени cot = 25° открыты только транзистор 23 и диод 22 , через которые происходит разряд электроэнергии генератора 27 . На этом интервале времени (от cot = п - 25° и до at = 25° ) тиристоры плеч 12 , 15 и 13 , 14 закрыты и со стороны секции 4 вторичной обмотки трансформатора в цепь 25 напряжение и ток не поступают, т . е . выпрямленное напряжение иа = 0 и переменный ток ii = 0. На этом интервале времени в цепи 25 протекает ток, образованный только разрядом электроэнергии генератора . В результате, на этом интервале времени возврата активной электроэнергии из генератора в сеть не происходит и она вся тратится на создание электромагнитного тормозного момента генератора, с помощью которого через механический редуктор каждая колесная пара электровоза оказывают электрическое торможение составу грузового поезда на уклоне профиля пути железной дороги . В дальнейшем, по мере одновременного перемещения (регулирования ) фазы отпирающих сигналов управления о<р вправо от момента времени cot = 25° и фазы отпирающих сигналов управления (Зр влево от момента времени cot = п - 25° происходит постепенное уменьшение в среднем величины выпрямленного напряжения и и переменного тока ii и увеличение тока генератора 27 при неизменной величине ЭДС генератора . Диапазон регулирования для сигналов управления ос _р заканчивается в момент времени cot = 85°, а для сигналов управления (Зр в момент времени cot = п - 85° = 95° . В эти моменты времени напряжение па и ток ii становятся в среднем минимальными для первой зоны регулирования . Причем угол сдвига фаз ср между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза имеет небольшую величину и приближается к нулю, а коэффициент мощности выпрямителя имеет наибольшую величину и приближается к 1 .

На фиг . 3 в качестве примера представлены процессы работы инвертора на первой зоне в обоих полупериодах напряжения сети в момент времени cot = 60° для фазы сигналов управления ос _р , подаваемых для открытия тиристоров плеч 12 , 15 или 13 , 14 , и в момент времени cot = п - 60° = 120° для фазы сигналов управления Р _Р , подаваемых для открытия транзистора 23 . Одновременно в момент времени cot = 60° происходит закрытие транзистора 23 путем снятия с него сигналов управления и подачи обратного напряжения на его эмиттер-коллекторный переход при открытии тиристоров плеч 12 , 15 или 13 , 14 . Открытие транзистора 23 происходит в момент времени cot = п - 60° = 120° для фазы сигналов управления (Зр, подаваемых на его управление . Диапазон регулирования Аос _р для сигналов ос _Р лежит в пределах от cot = 25° до cot = 85° , а диапазон др _р для сигналов р _р - в пределах от cot = п - 25° до cot = п - 85° .

Присутствие конденсатора 28 и второго диода 29 в схеме разрядной цепочки 24 не оказывает влияния на работу инвертора , так как полярность выпрямленного напряжения Ud меняется на обратную по сравнению с выпрямителем и они не участвуют в работе инвертора .

Работа инвертора на 2 , 3 и 4 зонах регулирования и процессы регулирования выпрямленного напряжения на них осуществляются аналогично работе и процессам инвертора на этих зонах, описанным в прототипе .

Последовательное подключение к диоду 22 транзистора 23 , который своим выключением в каждом полупериоде бесконтактно отключает цепочку 24 от катодной шины 20 преобразователя, приводит к повышению надежности работы преобразователя в режиме как выпрямителя, так и инвертора на первой зоне регулирования. Процессы работы преобразователя в режимах выпрямителя и инвертора на первой зоне регулирования, описанные в заявочных материалах, были получены путем математического моделирования силовой схемы электровоза типа ВЛ80Р.

Математическое моделирование показывает, что по сравнению с преобразователем-прототипом коэффициент мощности предлагаемого преобразователя на первой зоне при номинальной нагрузке значительно повысился - в режиме выпрямителя увеличился с 0,65 до 0,96, т.е. на 32%, а в режиме инвертора с 0,61 до 0,95, т.е. на 35%.