ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H02M3/315 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в преобразователях постоянного высоковольтного напряжения (в частности 4 кВ) в заданное количество постоянных напряжений различных уровней.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий основную и две дополнительные инверторные ячейки, каждая из которых выполнена на двух тиристорах, выходные трансформаторы, подключенные к выпрямителю, к генератору коммутирующих импульсов. (см. авт.св. СССР N 1705981, кл. H 02 M 3/305, 29.06.89).

Однако известное устройство не обеспечивает надежную работу полупроводниковых ключевых элементов при высоком входном напряжении, особенно в случае их построения из нескольких последовательно соединенных тиристорных ячеек.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вторичную обмотку силового трансформатора, подключенную через выпрямитель и фильтр к шинам выходного напряжения, и генератор задающий частоты (патент GB N 2045550, кл. H 02 M 3/24,1980).

Однако и это известное устройство не способно обеспечить надежную работу полупроводниковых ключевых элементов преобразователя при высоковольтном входном напряжении, так как не имеет соответствующих защитных узлов, предохраняющих их в момент коммутации.

Техническим результатом является обеспечение надежной работы устройства при высоковольтном входном напряжении и обеспечение защиты ячеек ключевых элементов в момент коммутации.

Для этого в преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вторичную обмотку силового трансформатора, подключенную через выпрямитель и фильтр к шинам выходного напряжения, и генератор задающей частоты, введены логический элемент объединения, многовходовый переключающий логический элемент, два дополнительных реактора, две последовательные RC-цепи и два дополнительных диода, а каждый полупроводниковый ключевой элемент выполнен в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом полупроводникового ключевого элемента, причем второй вывод первичной обмотки силового трансформатора соединен с объединенными выводами конденсаторов первой стойки моста, вторая стойка которого зашунтирована соответствующей последовательной RC-цепью, резистор каждой из которых соединен с выводами прямовключенного дополнительного диода, а каждый дополнительный реактор включен между однополярными соответствующими выводами стоек моста, логический элемент объединения подключен к первому входу многовходового переключающего логического элемента, второй вход которого соединен с выходом генератора задающей частоты, а парафазные выходы многовходового переключающего логического элемента подключены к входам соответствующих блоков формирования сигналов управления, кроме того, каждая тиристорная ячейка содержит последовательную RC-цепь, подключенную параллельно тиристору, обратно включенному диоду и последовательно соединенным балластному резистору с оптопарой, выход которой является логическим выходом тиристорной ячейки, при этом резистор последовательной RC-цепи зашунтирован прямовключенным диодом, а управляющий электрод тиристора является управляющим входом тиристорной ячейки.

Сущность изобретения заключается в том, что введение вышеописанных узлов и элементов и соответствующее их подключение в предлагаемом устройстве позволило снизить скорость нарастания напряжения на тиристорах в нормальном режиме работы преобразователя, снизить скорость нарастания тока и значение ударного тока в тиристорах при аварийном режиме работы, связанном с опрокидыванием устройства.

Сравнение предлагаемого преобразователя с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии изобретения критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о выполнении критерия "изобретательский уровень". Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности широкого промышленного использования.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - пример выполнения многовходового переключающего логического элемента.

Преобразователь содержит шины 1, 2 входного высоковольтного напряжения, к которым подключены одни выводы конденсаторов 3, 4, образующих плечи первой стойки моста.

Другие выводы конденсаторов 3, 4 через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора 5 и конденсатора 6, подключены к первому выводу первичной обмотки 7 силового трансформатора 8, вторичные обмотки 9-1...9-k которого через выпрямители 10-1...10-k и соответствующие фильтры 11-1...11-k подключены к шинам 12-1...12-k, 13-1... 13-k выходного напряжения.

Первый вывод первичной обмотки 7 силового трансформатора 8 подключен к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N, управляющие входы которых соединены с выходом соответствующего блока 16 или 17 формирования сигналов управления, вход каждого из которых подключен к соответствующему парафазному выходу 18 или 19 многовходового переключающего логического элемента 20. Входы последнего соединены с выходами генератора 21 задающей частоты и логического элемента 22 объединения, который может быть выполнен в виде мультиплексора или логического элемента И.

Второй вывод первичной обмотки 7 силового трансформатора 8 подключен к объединенным выводам конденсаторов 3,4 первой стойки моста.

Кроме того, преобразователь содержит два дополнительных реактора 23, 24, две последовательных RC-цепи, первая из которых на резисторе 25 и конденсаторе 26, вторая на резисторе 27 и конденсаторе 28, а также два прямовключенных диода 29 и 30, соединенных с выводами резистора 25 и 27 соответственно.

Каждая тиристорная ячейка содержит последовательную RC-цепт на резисторе 31 и конденсаторе 32, подключенную параллельно силовому тиристору 33, обратно включенному диоду 34 и последовательно соединенному балластному резистору 35 с оптопарой 36, выход которой является логическим выходом тиристорной ячейки.

Резистор 31 последовательной RC-цепи зашунтирован прямовключенным диодом 37. Многовходовый переключающий элемент 20 (фиг. 2) может быть выполнен в виде последовательно соединенных элемента И 38 и триггера 39. Блоки 16 и 17 выполнены в виде стандартных формирователей одиночных импульсов.

Преобразователь работает следующим образом.

При наличии входного напряжения и закрытого состояния всех тиристоров 33, диодов 34, ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N на фотодиодах оптопар 36 формируются сигналы, под действием которых логический элемент 22 объединения вырабатывает первый сигнал разрешения для многовходового переключающего логического элемента 20. При этом генератор 21 постоянно с требуемой частотой вырабатывает второй сигнал разрешения для логического элемента 20.

При совпадении двух разрешающих сигналов логический элемент 20 поочередно на выходах 18 или 19 вырабатывает сигналы, по фронту либо по срезу которых блоки 16 и 17 поочередно формируют сигналы управления на открытие тиристоров 33 силовых ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N соответственно.

Входное постоянное напряжение при поочередном открывании тиристоров 33 силовых ячеек 14-1...14-N верхнего плеча и тиристоров 33 силовых ячеек 15-1. . . 15-N нижнего плеча преобразуются на ректоре 5 и конденсаторе 6 колебательного контура в однофазное переменное напряжение и подается на первичную обмотку 7 силового трансформатора 8.

Поступающее на первичную обмотку 7 переменное напряжение одного уровня преобразуется во вторичных обмотках 9-1...9-k в требуемые напряжения других уровней, которые после выпрямителей 10-1. ..10-k и сглаживающих фильтров 11-1...11-k образуют на положительных выходных клеммах 12-1...12-k и отрицательных выходных клеммах 13-1...13-k требуемые выходные напряжения преобразователя.

Дополнительные реакторы 23, 24, две последовательных RC-цепи на резисторах 25, 27 и конденсаторах 26, 28, а также прямовключенные диоды 29 30 образуют коллективные защитные цепи.

При этом реакторы 23, 24 ограничивают максимальную скорость нарастания напряжения на силовых тиристорах 33 при обратном восстановлении соответствующих им силовых обратно включенных диодов 34 и при отпирании тиристоров 33 противоположного плеча, а также в соответствии с величиной индуктивности уменьшают коммутационные токи и одновременно увеличивают время рассматриваемых коммутационных процессов. При этом при обратном восстановлении силовых обратно включенных диодов 34 реакторы 23, 24 незначительно влияют на коммутационные процессы, так как в этом случае с ними последовательно функционирует контурный реактор 5. При отпирании силовых тиристоров противоположного плеча роль реакторов 23 и 24 возрастает, так как величина их индуктивности а данном случае становится доминирующей.

Кроме того, реакторы 23 и 24 ограничивают величину и скорость нарастания ударного тока при опрокидывании инвертора напряжения.

Следует отметить, что величина ударного тока при опрокидывании инвертора обычно на порядок превышает величину рабочего максимального тока защитных реакторов 23 и 24. В связи с этим целесообразным представляется применение защитных реакторов 23 и 24 без магнитопроводов, в которых нет необходимости учитывать процессы насыщения стали при ударных аварийных токах и вследствие этого иметь переизбыток стали и соответствующей массы.

Конденсаторы 26 и 28 за счет накопления электрической энергии при коммутационных процессах ограничивают максимальное значение скорости нарастания напряжения на закрытых ячейках. Последовательно соединенные с ними диоды 29 и 30 обеспечивают минимальную разницу между значениями скорости нарастания напряжения на закрытых ячейках и конденсаторах 26 и 28. При этом резисторы 25 и 27 обеспечивают допустимые величины разрядного тока конденсаторов 26 и 28 RC-цепей.

Аналогичные функции выполняют индивидуальные защитные цепочки: на резисторе 31, конденсаторе 32 и прямовключенном диоде 37 каждой тиристорной ячейки 14-i и 15-i преобразователя только применительно к соответствующему им силовому тиристору 33.

Причем при несанкционированном отпирании или запирании силовых тиристоров 33 в соответствующих оптопарах 36 не формируется сигнал, под действием чего логический элемент 22 объединения не вырабатывает первый сигнал разрешения для многовходного переключающего логического элемента 20. Благодаря этому прекращается подача управляющих сигналов на открытие тиристоров 33 силовых ячеек 14-1. ..14-N и 15-1...15-N и аварийная ситуация естественным образом прекращается.

Таким образом, введение вышеописанных элементов и их комплексное использование с другими элементами и блоками устройства позволяют решить поставленную задачу: обеспечение надежной работы устройства при высоковольтном входном напряжении.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного напряжения одного уровня в постоянные напряжения других уровней. Для обеспечения надежной работы при высоковольтном входном напряжении и обеспечения защиты ячеек ключевых элементов в моменты коммутации в преобразователь постоянного напряжения введены логический элемент объединения, многоходовый переключающий логический элемент, два дополнительных реактора, две последовательные RC-цепи и два дополнительных диода, а каждый полупроводниковый ключевой элемент выполнен в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом полупроводникового ключевого элемента. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вторичную обмотку силового трансформатора, подключенную через выпрямитель и фильтр к шинам выходного напряжения, и генератор задающей частоты, отличающийся тем, что введены логический элемент объединения, переключающий логический элемент, два дополнительных реактора, две последовательные RC-цепи и два дополнительных диода, а каждый полупроводниковый ключевой элемент выполнен в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом полупроводникового ключевого элемента, причем второй вывод первичной обмотки силового трансформатора соединен с объединенными выводами конденсаторов первой стойки моста, вторая стойка которого зашунтирована соответствующей последовательной RC-цепью, резистор каждой из которых соединен с выводами прямовключенного дополнительного диода, а каждый дополнительный реактор включен между однополярными соответствующими выводами стоек моста, логический выход каждой из тиристорных ячеек через логический элемент объединения подключен к первому входу переключающего логического элемента, второй вход которого соединен с выходом генератора задающей частоты, а парафазные выходы переключающего логического элемента подключены к входам соответствующих блоков формирования сигналов управления, при этом сигналы с логических выходов каждой из тиристорных ячеек обеспечивают переключение переключающего логического элемента по сигналу с задающего генератора при наличии входного напряжения и закрытом состоянии всех полупроводниковых ключевых элементов. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что каждая тиристорная ячейка содержит последовательную RC-цепь, подключенную параллельно тиристору, обратно включенному диоду и последовательно соединенным балластному резистору с оптопарой, выход которой является логическим выходом тиристорной ячейки, при этом резистор последовательной RC-цепи зашунтирован прямовключенным диодом, а управляющий электрод тиристора является управляющим входом тиристорной ячейки.