КОМБИНИРОВАННЫЙ ВЕНТИЛЬ ТОКА Российский патент 1998 года по МПК H02M7/17 H02M7/19 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для создания преобразователей, работающих как с положительными, так и с отрицательными углами регулирования. Такие преобразователи необходимы для передач и вставок постоянного тока, электрифицированного транспорта, а также для подстанций электрометаллургической и химической промышленности.

Известны комбинированные вентили тока, в состав которых входят запираемые вентили (электронные вентили, транзисторы, запираемые тиристоры), незапираемые вентили (тиристоры, диоды), конденсаторы и устройства управления [1-4] . Комбинированные вентили, описанные в [1] и примененные в устройствах по [2] и [3], имеют общий недостаток: прекращение тока через комбинированный вентиль происходит практически мгновенно, что неизбежно вызывает перенапряжения в цепях преобразователя, содержащих индуктивности трансформаторов и реакторов.

Из известных комбинированных вентилей наиболее близким к предлагаемому является комбинированный вентиль, устройство которого изложено в [4]. В состав этого комбинированного вентиля, принятого за прототип, входят два запираемых вентиля (два запираемых тиристора), два незапираемых вентиля (два диода), конденсатор и устройство управления вентилями, причем вентили соединены в две цепи, включенные параллельно, первая цепь содержит по направлению проводимости тока запираемый вентиль и присоединенный к нему последовательно незапираемый вентиль, а вторая цепь - незапираемый вентиль и присоединенный к нему последовательно запираемый вентиль, конденсатор включен между узлами, в которых в каждой цепи соединены разные вентили, оба запираемые вентиля отпираются и запираются одновременно отпирающими и запирающими импульсами, поступающими на их электроды управления. При таком выполнении комбинированного вентиля его запирание и отпирание приводит соответственно к постепенному снижению и нарастанию тока в течение заряда и разряда его конденсатора. Исключаются мгновенные изменения тока в цепях преобразователя и связанные с этим перенапряжения.

Недостаток комбинированного вентиля, выполненного по [4], состоит в том, что он правильно функционирует в преобразователе только при работе последнего в выпрямительном режиме с углами регулирования α<30^o. При работе преобразователя в выпрямительном режиме с углами α>30^o и в инверторном режиме анодное напряжение, приложенное к комбинированному вентилю, становится больше напряжения его конденсатора. Из-за этого возникает ненормальное явление: диоды проводят ток в промежутке, когда через комбинированный вентиль ток не должен проходить (в промежутке непроводимости комбинированного вентиля). В результате несвоевременной проводимости диодов нарушается правильное функционирование комбинированных вентилей и преобразователя с такими вентилями.

Задача данного изобретения - обеспечение правильного функционирования комбинированного вентиля, обладающего свойством постепенного снижения тока отключения и постепенного нарастания тока включения, при работе преобразователя в выпрямительном и инверторном режимах с любыми положительными и отрицательными углами регулирования.

Сущность изобретения состоит в том, что у предлагаемого комбинированного вентиля тока, в состав которого входят два запираемых вентиля, два незапираемых вентиля, конденсатор и устройство управления вентилями, причем вентили соединены в две цепи, включенные параллельно, первая цепь содержит по направлению проводимости тока запираемый вентиль и присоединенный к нему последовательно незапираемый вентиль, а вторая цепь - незапираемый вентиль и присоединенный к нему последовательно запираемый вентиль, конденсатор включен между узлами, в которых в каждой цепи соединены разные вентили, оба запираемые вентиля отпираются и запираются одновременно, имеются следующие особенности: незапираемые вентили - управляемые, например тиристорные; незапираемые вентили отпираются одновременно с запираемыми вентилями; ширина управляющих импульсов незапираемых вентилей больше промежутка времени разряда конденсатора, входящего в состав комбинированного вентиля, и меньше промежутка времени между отпирающим и запирающим импульсами запираемого вентиля.

При таком выполнении силовой части и системы управления комбинированного вентиля обеспечивается: постепенное снижение тока при запирании, так как после прекращения тока через запираемые вентили ток комбинированного вентиля продолжает проходить через незапираемые вентили и конденсатор; ток снижается плавно до нуля по мере повышения напряжения конденсатора; постепенное нарастание тока при отпирании всех четырех вентилей (двух запираемых и двух незапираемых), так как сперва ток комбинированного вентиля проходит через запираемые вентили и конденсатор; напряжение конденсатора снижается до нуля и тогда включаются незапираемые вентили (для этого ширина управляющих импульсов этих вентилей должна быть больше промежутка времени разряда конденсатора); правильное функционирование комбинированного вентиля в преобразователе, работающем при любых углах регулирования, так как в промежутке непроводимости комбинированного вентиля незапираемые вентили (тиристоры) не могут включиться даже при приложении к ним положительного анодного напряжения (для этого ширина управляющих импульсов незапираемых вентилей должна быть меньше промежутка времени между отпирающим и запирающим импульсами запираемого вентиля).

На фиг.1 приведена схема предлагаемого комбинированного вентиля тока, на фиг. 2 - графики, показывающие временное изменение его токов и напряжения конденсатора при работе в преобразователе.

Комбинированный вентиль тока содержит два запираемых вентиля 1 и 2 (фиг. 1), два незапираемых вентиля 3 и 4, конденсатор 5 и систему управления вентилями, в которую входят источник первичных импульсов 6, формирователь отпирающих и запирающих импульсов 7 для управления запираемыми вентилями 1 и 2 и формирователь управляющих импульсов 8 для управления незапираемыми вентилями 3 и 4. Последовательно соединенные вентили 1 и 4 образуют первую цепь, а последовательно соединенные вентили 3 и 2 - вторую цепь комбинированного вентиля. Первая и вторая цепи соединены параллельно. Вывод от анодов вентилей 1 и 3 является анодным выводом, а вывод от катодов вентилей 4 и 2 - катодным выводом комбинированного вентиля. Конденсатор 5 включен между узлами первой и второй цепи, в которых соединены соответственно вентили 1 и 4 и вентили 3 и 2.

Источник первичных импульсов 6 посылает импульсы на входы формирователей импульсов 7 и 8 и определяет фазовое положение управляющих импульсов, поступающих от формирователей к электродам управления вентилей. Регуляторы для изменения угла регулирования преобразователя воздействуют на источник первичных импульсов 6 - изменяют фазовое положение первичных импульсов.

Формирователь 7 создает в каждом периоде для каждого запираемого вентиля два импульса: отпирающий, совпадающий по фазе с первичным импульсом, и через заданный промежуток времени - запирающий импульс. Если, например, преобразователь с комбинированными вентилями шестифазный мостовой, то этот промежуток равен 1/3 периода преобразуемого переменного тока.

Формирователь 8 создает в каждом периоде для каждого незапираемого вентиля один управляющий импульс, совпадающий по фазе с первичным импульсом и, следовательно, с отпирающим импульсом формирователя 7. Управляющий импульс формирователя 8 отпирает незапираемый вентиль. Ширина управляющего импульса должна быть больше промежутка времени, в течение которого происходит разряд конденсатора, но меньше промежутка проводимости комбинированного вентиля или, что то же самое, меньше промежутка времени между отпирающим и запирающим импульсами формирователя 7.

Работа комбинированного вентиля в преобразователе поясняется графиками фиг.2. При построении графиков токов сделано допущение, что выпрямленный ток преобразователя идеально сглажен. На фиг. 2 построены графики временного изменения токов i₁ и i₂ запираемых вентилей 1 и 2 (ось 9), токов i₃ и i₄ незапираемых вентилей 3 и 4 (ось 10), тока комбинированного вентиля i (ось 11), напряжения конденсатора u₅ (ось 12), запирающих и отпирающих импульсов вентилей 1 и 2 (ось 13), управляющих импульсов вентилей 3 и 4 (ось 14).

До момента t₁ (фиг.2) ток пропускают обе цепи комбинированного вентиля и поэтому через все его вентили проходит одинаковый по величине ток, равный i/2 (оси 9 и 10). Напряжение конденсатора (ось 12) равно нулю. Такой процесс возникает после каждого включения комбинированного вентиля, что поясняется ниже, а также при первом включении, когда конденсатор 5 разряжен и все четыре вентиля 1-4 отпираются и начинают пропускать ток одновременно.

В момент t₁, как показано на оси 13, к запираемым вентилям 1 и 2 поступают от формирователя 7 отрицательные (запирающие) импульсы. В результате этого вентили 1 и 2 прекращают пропускать ток (ось 9). Токи i₃ и i₄ вентилей 3 и 4 увеличиваются скачком до тока i (ось 10) и проходят через конденсатор 5 (фиг.1). Происходит заряд конденсатора 5, его напряжение u₅ (ось 12) повышается, а токи i₃, i₄ и i уменьшаются.

В момент t₂ токи i₃, i₄ и i (оси 10 и 11) спадают до нуля и в этот момент заканчивается промежуток проводимости комбинированного вентиля. В промежутке непроводимости комбинированного вентиля t₂t₃ напряжение конденсатора u₅ остается практически неизменным (ось 12).

В момент t₃ на вентили 1 и 2 от формирователя 7 поступают положительные (отпирающие) импульсы (ось 13), а на вентиль 3 и 4 от формирователя 8 управляющие импульсы (ось 14). Вентили 1 и 2 включаются и пропускают ток по цепи через конденсатор 5 (фиг.1) Вентили 3 и 4 в момент t₃ и дальше до момента t₄ не могут включиться, так как к ним от конденсатора 5 приложено отрицательное анодное напряжение.

В промежутке t₃t₄ токи i₁, i₂ и i (оси 9 и 11) нарастают, а конденсатор 5 разряжается и его напряжение u₅ снижается (ось 12).

В момент t₄ токи i₁, i₂ и i достигают значения выпрямленного тока преобразователя, а напряжение конденсатора u₅ снижается до нуля. При разряженном конденсаторе 5 к вентилям 3 и 4 прикладываются положительные анодные напряжения, равные соответственно падениям напряжения в вентилях 1 и 2 (фиг. 1). Так как ширина управляющих импульсов вентилей 3 и 4 больше промежутка t₃t₄ (ось 14), то эти вентили в момент t₄ включаются. В результате наступает процесс с прохождением тока i комбинированного вентиля по обеим его цепям через все четыре вентиля 1-4. Величина тока в каждой цепи и в каждом вентиле становится равной i/2 (промежуток t₄t₅ на фиг.2). Токи проходят помимо конденсатора 5 и поэтому он остается разряженным, его напряжение u₅=0.

В момент t₅, отстающий в установившемся режиме работы преобразователя от момента t₁ на один период преобразуемого переменного тока, снова запирающими импульсами (ось 13) запираются вентили 1 и 2 и повторяются процессы, рассмотренные выше в течение периода t₁t₅.

Отметим, что в установившемся режиме работы преобразователя промежуток t₃t₄ включения комбинированного вентиля равен промежутку t₁t₂ (или t₅t₆) его отключения. В этих промежутках времени происходит коммутация тока с одного комбинированного вентиля преобразователя на другой. Благодаря особому (оригинальному) выполнению комбинированного вентиля, коммутации тока в преобразователе при запирании одного вентиля и отпирании другого происходят постепенно в течение промежутков времени, необходимых для заряда и разряда конденсаторов, входящих в состав комбинированных вентилей.

Незапираемые вентили 3 и 4 пропускают ток в одном периоде в промежутке t₄t₆ (токи i₃ и i₄ на оси 10). В непроводящем промежутке t₂t₃ они не могут включиться даже, если их анодное напряжение станет положительным, так как эти вентили - управляемые и к их электродам управления в непроводящем промежутке не поступают управляющие импульсы (ось 14).

Таким образом, задача изобретения выполнена: обеспечено правильное функционирование комбинированного вентиля, осуществляющего постепенное изменение тока при его отключении и включении, в преобразователе, работающем в выпрямительном и инверторном режимах при любых положительных и отрицательных углах регулирования.

Источники информации
1. Принципы построения высоковольтного запираемого вентиля. Л.Л.Балыбердин, И.Г.Голощекин, В.Я.Меньшиков, Ю.А.Шершнев// Преобразовательная техника в энергетике. Сб. научных трудов НИИПТ. ЛО Энергоатомиздат, 1986. С. 93-97.

2. Авторское свидетельство СССР N 1464245, кл. H 02 J 3/18, 1988.

3. Авторское свидетельство СССР N 1582274, кл. H 02 J 3/00, 1990.

4. A snabber loss free current source converter for high power use /H. Naitoh, H. Nishikawa, T. Shimamura, F.Arakawa, K.Ogimoto, K.Saiki// Paper SIGRE, Symposium Tokyo, May 1993.

Использование: преобразователи для электропередач и вставок постоянного тока, электрифицированного транспорта, электрометаллургической и химической промышленности. Сущность изобретения: у комбинированного вентиля, в состав которого входят два запираемые и два незапираемые вентиля, соединенные в две параллельные цепи, и конденсатор, включенный между этими цепями, незапираемые вентили - управляемые, они отпираются одновременно с запираемыми вентилями, причем ширина их управляющих импульсов больше промежутка времени разряда конденсатора и меньше промежутка отпирающим и запирающим импульсами запираемого вентиля. Благодаря такому выполнению комбинированного вентиля обеспечивается правильное функционирование его в преобразователе при работе последнего в выпрямительном и инверторном режимах с любыми положительными и отрицательными углами регулирования. 2 ил.

Комбинированный вентиль тока, в состав которого входят два запираемых вентиля, два незапираемых вентиля, конденсатор и устройство управления упомянутыми вентилями, причем упомянутые вентили соединены в две цепи, включенные параллельно, первая цепь содержит по направлению проводимости тока запираемый вентиль и присоединенный к нему последовательно незапираемый вентиль, а вторая цепь - незапираемый вентиль и присоединенный к нему последовательно запираемый вентиль, конденсатор включен между узлами, в которых в каждой цепи соединены разные вентили, оба запираемые вентиля отпираются и запираются одновременно отпирающими и запирающими импульсами, поступающими на их электроды управления, отличающийся тем, что незапираемые вентили - управляемые, например, тиристорные, они отпираются одновременно с запираемыми вентилями управляющими импульсами, ширина которых больше промежутка времени разряда конденсатора и меньше промежутка времени между отпирающим и запирающим импульсами запираемого вентиля.