Патент на изобретение №2167071

(54) УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике электроснабжения железнодорожного транспорта и предназначено для использования в силовых цепях постоянно-переменного тока тягового преобразования. Устройство содержит токоприемник, дроссель, преобразователь с блоками преобразования по фазам А,В,С, сетевые конденсаторы “+” и “-” полюсов, блок управления преобразователем, интеллектуальный датчик параметров преобразователя, интеллектуальный датчик мгновенного положения ротора электродвигателя с балластным сопротивлением, блок сравнения параметров преобразователя и электродвигателя, блок пороговых устройств, два блока коммутации компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений, две батареи компенсационных конденсаторов и две батареи разрядных сопротивлений. Устройство обеспечивает оперативную защиту от самовозбуждения и самораскачивания асинхронного двигателя в начальной стадии и снижает в несколько раз изменения напряжения, тока и частоты в цепи статора. Это позволяет снизить требования к изоляции цепей, улучшает условия управления двигателем и увеличивает эксплуатационный ресурс аппаратуры. 2 ил.

Настоящее изобретение относится к преобразовательной технике, направлено на улучшение качества преобразования электрической энергии и предназначено для повышения надежности преобразования постоянного тока в переменный и наоборот.

Более конкретно данное изобретение относится к повышению надежности работы силовых цепей устройств преобразования электрической энергии, например силовых цепей постоянно-переменного тока тягового преобразователя транспортных электроустановок высокоскоростных поездов, электричек, трамваев, поездов метрополитена и т.п. Для исключения самовозбуждения асинхронных электродвигателей и ликвидации периодических колебаний частоты вращения ротора машины, получившего название самораскачивания.

Известен способ гашения самовозбуждения асинхронных двигателей, которое происходит при следующих условиях:
В цепи статора включается емкость определенной величины:
Активное сопротивление в контуре электрическая машина – емкость не превышает некоторого критического значения:
Ротор машины вращается с частотой, находящейся в определенных пределах.

При соблюдении этих условий будет осуществляется передача мощности от ротора к статору, необходимая для возникновения и развития самовозбуждения.

Самовозбуждение может возникнуть под действием простого и динамического моментов явнополюсности и гасится подбором емкости в цепи статора. [Венников В. А. и др. Самовозбуждение и самораскачивание в электрических системах. М.: Высшая школа, 1964 г.].

Самовозбуждение асинхронного двигателя может произойти в процессе пуска и при установившемся скольжении. При самовозбуждении асинхронного двигателя в системе кроме токов основной частоты возникают токи меньшей частоты, зависящей от параметров системы, т.е. асинхронный двигатель на частоте самовозбуждения работает асинхронным генератором. Вследствие наличия двух токов разной частоты результирующий ток и напряжение имеют вид биений.

В режиме самовозбуждения на частоте свободных колебаний асинхронный двигатель развивает генераторный (тормозной) момент, а на основной частоте – двигательный. При увеличении тормозного момента выше двигательного частота вращения асихронного двигателя уменьшается, а затем при исчезновении самовозбуждения, начиная с некоторой величины, вновь увеличивается. Такой режим, выражающийся в периодическом колебании частоты вращения ротора машины, получил название самораскачивания.

На фиг. 1 приведена осциллограмма процессов при асинхронном самовозбуждении и самораскачивании, из которого видно, что огибающие тока, напряжения и мощности могут изменятся периодически в несколько раз по амплитуде, так же как напряжение, ток и частота вращения электродвигателя, причем амплитуды колебаний напряжений и токов значительно превышают номинальные значения.

В реальном устройстве рост напряжений и токов в высоковольтных цепях статического преобразователя и асинхронного двигателя вызывает насыщение машины, рост напряжений может быть ограничен и нелинейностью другого вида – пробоем изоляции.

Самовозбуждение и самораскачивание в системе с высоковольтным статическим преобразователем, приводящие к большим токам и моментам, вызывает срабатывание электрической защиты и делает невозможным нормальный режим работы устройства в целом, что недопустимо на транспорте в движении и, в частности, на высокоскоростных магистралях. Одним из методов устранения самовозбуждения – увеличение активного сопротивления выше величины критической:

где x_al = x_a + x_l.x’_al = x’_a + x₁ – элементы структурной схемы асинхронного двигателя с активным, индуктивным и емкостным сопротивлением.

Условие отсутствия самовозбуждения при данном x_c запишется как
r > r_кр.
[Б.Д. Гандин и др. Пуск асинхронных электродвигателей, Л., Судостроение, 1930 г., аналог].

Однако увеличение r и x₁ ведет к значительным потерям мощности, тепловым перегревам и непредсказуемому изменению длительности и характера переходных процессов, что делает эти процессы неуправляемыми.

Увеличение емкости может снять самовозбуждение, но известные устройства не обеспечивают оперативное и точное изменение емкости в процессе эксплуатации электроподвижного состава, а для систем с высоковольтными статическими преобразователями такие устройства отсутствуют.

Известно устройство, которое может быть использовано для автоматического регулирования реактивной мощности. Известное устройство может использоваться на электроподвижном составе с однофазной сетью переменного тока для повышения коэффициента мощности. Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности содержит нагрузку, источник реактивной мощности, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов, блок импульсно-фазового управления, два устройства выборки-хранения, перемножитель напряжения, интегратор, устройство вычисления максимальной величины мощности, делитель частоты и устройство экстремального регулирования. Источник реактивной мощности состоит из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Датчик режима сети включает в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока. Нагрузка подключена к сети через трансформатор тока и параллельно цепи из последовательно включенных индуктивности, емкости и встречно-параллельно включенных тиристоров. Трансформатор напряжения подключен параллельно сети, а его выход соединен с входом первого устройства выборки-хранения и входом блока синхронизирующих импульсов. Выход трансформатора тока соединен со входом второго устройства выборки- хранения, выходы устройств выборки-хранения подключены ко входам перемножителя напряжения, выход которого через интегратор соединен с первым входом устройства вычисления максимальной величины мощности. Выход блока синхронизирующих импульсов через делитель частоты связан со вторыми входами интегратора и устройства вычисления максимальной величины мощности, выход которого через устройство экстремального регулирования соединен со входом блока импульсно-фазового управления. Выход блока импульсно-фазового управления подключен к тиристорам компенсатора реактивной мощности. Применение устройства повышает коэффициент мощности за счет компенсации индуктивного тока нагрузки емкостной составляющей тока компенсатора реактивной мощности. [Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности: Пат. 3145141 Россия, МПК⁷ H 02 J 3/18, G 05 F 1/70, Кулинич Ю.М. и др. Дальневосточный гос. Университет путей сообщения, N 99101157/09, Заяв. 25.11.99, Опуб. 27.01.00, Бюл. N 3, аналог].

Недостатком этого устройства является конструктивная сложность в случае применения для 3-фазных двигателей, технологическая невозможность реализации для системы: постоянный ток – конденсаторный делитель напряжения – статический преобразователь (пост. ток – 3-фазный ток) – асинхронный двигатель с целью устранения самовозбуждения и самораскачивания во взаимосвязанной системе 2 статических преобразователей, 4 асинхронных двигателей, т.к. самовозбуждение может возникнуть в любом из 4 асинхронных двигателей. Параметры каждого двигателя, статического преобразователя, конденсаторных батарей отличаются и в каждом случае нужны дополнительные индивидуальные датчики, блоки и связи для точного, экономичного и оперативного устранения самовозбуждения в конкретной цепи.

Наиболее близким является устройство преобразования электрической энергии, содержащее 3-уровневый регулятор с широтно-импульсной модуляцией, которое обеспечивает непрерывное и плавное регулирование выходного напряжения от 0 до максимального значения. Преобразователь электрической энергии включает устройство формирования многоимпульсной последовательности для работы в режимах двухполярной модуляции, однополярной модуляции и перемодуляции, устройство для формирования одиночных импульсов и устройство управления, обеспечивающие переключение этих режимов модуляции по фазам A, B, C. Кроме того, устройство содержит токоприемник, который соприкасается с контактным проводом “+”, дроссель, сетевые конденсаторы “+” и “-“, асинхронный двигатель, колеса, являющиеся контактным проводом “-” [Устройство преобразования электрической энергии. Пат. N 5587891 США, H 02 M 7/5387, 24.12.96 г., Опубл., прототип].

Недостатком этого устройства является неспособность функционально обеспечить устранение режима самовозбуждения и самораскачивания, что приводит в условиях повышенных напряжений к пробоям изоляции, обратным перенапряжениям на тиристорах, нарушающее их работу и вызывающее выход из строя управляющих элементов и всей схемы. Кроме того, к недостаткам устройства можно отнести малую информированность по скорости изменения напряжения, тока, оборотов двигателя и другим изменениям.

Задачей настоящего изобретения является снижения уровня самовозбуждения и самораскачивания в начальной стадии и их гашение с блокировкой от повторных моментов, повышение качества электроснабжения асинхронных электродвигателей, надежности эксплуатации управляющих блоков, увеличение ресурса эксплуатации изоляции, обеспечение пожаробезопасности эксплуатации всего устройства и обслуживающего персонала, улучшения системы охлаждения инвертора напряжения, обеспечение работы в зоне отсутствия самовозбуждения. Эти задачи решаются для широкой номенклатуры объектов (высокоскоростные поезда, электрички, трамваи, поезда метро и т.п.).

Снижение уровня самовозбуждения и самораскачивания начальной стадии и их гашение с блокировкой от повторного явления, повышение качества энергоснабжения асинхронных электродвигателей, надежность эксплуатации управляющих блоков устройства, увеличение ресурса эксплуатации изоляции, обеспечение пожаробезопасности эксплуатации всего устройства и обслуживающего персонала обусловлены установкой дополнительного интеллектуального датчика параметров преобразователя между преобразователем и асинхронным двигателем, интеллектуального датчика параметров вращения вала двигателя с балластным сопротивлением на валу двигателя, причем датчики обеспечивают информацию и о величине сигналов и их первых производных, блока сравнения параметров преобразователя и двигателя, блока пороговых устройств, блока коммутации конденсаторов и разрядных сопротивлений, батарей компенсационных конденсаторов и батарей разрядных сопротивлений на “+” и “-” полюсах. Одновременно информация интеллектуальных датчиков вводится в компьютер устройства в блоке управления. Это позволяет гасить возникающий процесс самовозбуждения еще в начальной стадии, не доводя до самораскачивания вала двигателя, и блокировать устройство от повторного явления, а в случае возникновения самораскачивания включать сигнал компенсации в усиленном режиме с постепенным снижением до нормы. В этом варианте искажение питающего напряжения будет минимальным и Cos только кратковременно выйдет из эксплуатацинной нормы.

В случае повторного самовозбуждения система сигналов оптимизирует общую суммарную емкость входных цепей устройства на грани немного выше критической, т.е. x_c < x_a.

Такой подход позволяет значительно уменьшить амплитуду раскачивания напряжения, не доводя ее до пробоя изоляции, и как следствие ликвидируются условия возникновения электродуги и пожара. Кроме того, большая амплитуда периодически раскачиваемого напряжения может вывести из строя управляющие блоки устройства по цепям питания.

Данное решение позволяет, не нарушая работы устройства во время эксплуатации до конечного пункта, устранить причину изменения параметров уже в заводских условиях, на стенде.

Предложенное устройство соответствует критерию “новизна”, имеет отличительные признаки от прототипа, заключающиеся в том, что между преобразователем по фазам и асинхронным двигателем дополнительно включен интеллектуальный датчик параметров преобразователя, на валу двигателя установлен интеллектуальный датчик параметров вращения вала двигателя с балластным сопротивлением, блок сравнения параметров преобразователя и двигателя, блок пороговых устройств, два блока коммутации компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений, две батареи разрядных сопротивлений, две батареи компенсационных конденсаторов, причем выходы датчиков параметров преобразователя и частоты вращения ротора соединены со входами блока сравнения параметров преобразователя и двигателя, один выход блока сравнения параметров соединен со входом блока пороговых устройств, а другой выход этого блока соединен со входом блока управления преобразователем, выход блока пороговых устройств и соединен со входами блоков коммутации компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений, по одному входу каждого блока коммутации компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений соединены со средней точкой, а по одному выходу соединены уравнительной связью между собой, коммутационные выходы этих блоков соединены со входами батарей компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений, выходы этих батарей соединены с полюсами “+” или “-” соответственно блоков преобразователей фаз A, B, C.

Устройство, содержащее такую совокупность существенных признаков, как подтверждается патентными исследованиями, не описаны в источниках патентной и технической литературы. Кроме того, отличительные признаки не обнаружены в известных технических решениях и благодаря им у устройства появляются положительные свойства, заключающиеся в быстроте реагирования на явление самовозбуждения в начальной стадии и гашении этого явления с блокировкой от повторения до заводского осмотра и восстановления на стенде начальных параметров. А в случае возникновения самораскачивания включается сигнал компенсации в усиленном режиме с постепенным снижением до нормы. В этом случае искажение питающего напряжения будет минимальным и Cos только кратковременно выйдет из эксплуатационной нормы. Источником сигнала самораскачивания является интеллектуальный датчик параметров вращения вала двигателя с балластным сопротивлением, который фиксирует фазовые сдвиги, управляет углом открытия тиристоров, а, следовательно, и амплитудой напряжения. При этом снижаются потери, упрощается и удешевляется система охлаждения инвертора напряжения со звеном постоянного тока с широтно-импульсным регулированием частоты, т. к. такая обратная связь обеспечивает самое оперативное регулирование при самораскачивании. Двойная информация повышает уровень компенсации самовозбуждения и самораскачивания асинхронного электродвигателя, снижает время ликвидации данного нежелательного явления, удешевляет саму конструкцию устройства, повышает надежность его эксплуатации и обеспечивает работу устройства в зоне отсутствия самовозбуждения. Только система из двух датчиков, позволяющих подключать и отключать дополнительные конденсаторные батареи, обеспечивает гибкий контроль за эксплуатацией устройства в переходных режимах работы.

Предлагаемое устройство позволяет решать поставленные задачи.

Эти свойства не совпадают со свойствами, являющимися отличительными признаками в известных технических решениях, что позволяет считать заявляемое решение соответствующим критерию существенных отличий.

На фиг. 2 приведен пример реализации устройства, изображена схема устройства преобразования электрической энергии. К “+” контактной сети 1 присоединен вовремя движения токоприемник 2, который через “+” токопровод и дроссель 3 соединяется со входами блоков преобразователей фаз A, B, C тягового электропривода 4, 5, 6. Параллельно входам этих блоков тягового преобразователя включены последовательно соединенные компенсационные конденсаторы, которые делят входное напряжение на два напряжения постоянного тока. Напряжение, с выходов преобразователей фаз A, B, C – 4, 5, 6 подключены на вход асинхронного двигателя 9. Второй полюс “-” токопровода с конденсатора 8, блоков 4,5,6 соединен через колесные пары 10 с “-” контактной сети (рельсы). Управляющие входы блоков 4, 5, 6 соединены с выходами блока управления преобразователем 11.

Между преобразователем (блоки 4,5,6) и асинхронным двигателем 9 включен интеллектуальный датчик параметров преобразователя 12. На валу асинхронного двигателя 9 смонтирован интеллектуальный датчик мгновенного положения ротора электродвигателя с балластным сопротивлением 13. Выходы датчиков 12, 13 соединены со входами блока сравнения параметров преобразователя и двигателя 14. Выходы этого блока соединены с блоком управления преобразователем 11 и блоком пороговых устройств 15. Выход данного блока соединен со входами блоков коммутации компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений “+” полюса 16 и “-” полюса 17. Коммутирующие выходы блоков 16, 17 соединены со входами батарей компенсационных конденсаторов 18 и разрядных сопротивлений 19 “+” полюса и со входами батарей компенсационных конденсаторов 20 и разрядных сопротивлений 21 “-” полюса соответственно. Выходы блоков 18, 19 и 20, 21 соединены с “+” и “-” полюсами блоков преобразователя 4, 5, 6.

В процессе эксплуатации, при движении транспортных средств из-за разброса параметров комплектующих, суммарных параметров преобразовательных цепей в одном из 4 режимов работы может быть нарушено условие отсутствия самовозбуждения, когда при данном x_c r < r_кр. Асинхронный двигатель 9 будет периодически переходить то в генераторный режим, то в двигательный, что приведет к самораскачиванию вала двигателя. Одновременно меняются параметры токов, частоты и напряжения в цепи статора, связанной с выходами преобразователей фаз A, B, C. Эти отклонения мгновенно улавливают интеллектуальные датчики параметров вращения вала двигателя и параметров преобразователя, обработанная информация поступает в блок сравнения параметров, преобразователя и двигателя, после расчета информация поступает в блок пороговых устройств. В этом блоке определяется уровень сигналов воздействия, которые передаются в блоки коммутации 16 и 17, там управляющие сигналы преобразуются в коммутирующие. При эффективном воздействии и ликвидации самовозбуждения и самораскачивания двигателя по информации интеллектуальных датчиков схема переходит в исходное положение.

Предложение обеспечивает эффективную защиту от явления самовозбуждения и самораскачивания в начальной стадии и последствий, которые вызывают эти явления:
периодические изменения напряжения, тока и частоты в цепи статора в несколько раз, что позволяет снизить требования к изоляции цепей;
самораскачивания, что улучшает условия управления асинхронными двигателями;
увеличивает эксплуатационный ресурс аппаратуры и кабелей устройства;
обеспечивает блокировку от повторных явлений до заводской регулировки;
повышает качество электропитания асинхронных электродвигателей;
обеспечивает пожаробезопасность эксплуатации всего устройства и обслуживающего персонала;
снижает потери электроэнергии за счет дополнительных потерь на нагрев;
упрощает и улучшает условия работы системы охлаждения.

Формула изобретения

Устройство преобразования электрической энергии, содержащее токоприемник, дроссель, преобразователь с блоками преобразования по фазам А, В, С, сетевые конденсаторы “+” и “-” полюсов, асинхронный электродвигатель, колеса, являющиеся “-” контактным проводом, блок управления преобразователем, причем средняя точка сетевых конденсаторов через блоки преобразования по фазам А, В, С соединена со статором асинхронного электродвигателя, выход блока управления преобразователем соединен со входами блоков преобразования по фазам А, В, С, отличающееся тем, что между блоками преобразования по фазам А, В, С и асинхронным электродвигателем дополнительно включен интеллектуальный датчик параметров преобразователя, на валу электродвигателя установлен интеллектуальный датчик мгновенного положения ротора электродвигателя с балластным сопротивлением, кроме того, введены блок сравнения параметров преобразователя и электродвигателя, блок пороговых устройств, два блока коммутации компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений, две батареи компенсационных конденсаторов и две батареи разрядных сопротивлений, причем выходы датчиков параметров преобразователя и мгновенного положения ротора электродвигателя соединены со входами блока сравнения параметров преобразователя и электродвигателя, один выход блока сравнения соединен со входом блока пороговых устройств, а другой выход – со входом блока управления преобразователем, выход блока пороговых устройств соединен со входами блоков коммутации компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений, по одному входу каждого блока коммутации соединены со средней точкой сетевых конденсаторов, а по одному выходу соединены уравнительной связью между собой, коммутационные выходы этих блоков соединены со входами батарей компенсационных конденсаторов и разрядных сопротивлений, выходы батарей соединены с полюсами “+” или “-” блоков преобразователей по фазам А, В, С.

РИСУНКИ