ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H02M3/305 H02M3/315 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям 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, и генератор коммутирующих импульсов (см. А. С. СССР N 1705981, кл. H 02 M 3/305, от 29.06.89 г.).

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 объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого подключен к одному из парафазных выходов переключающего логического элемента, управляемого от генератора импульсов, к диагонали моста подключена первичная обмотка силового трансформатора, n вторичных обмоток (где n - целое число), каждая из которых подключена через соответствующий выпрямитель и LC-фильтр к выходным шинам (Пат. РФ N 2111604, кл. H 02 M 3/00, от 1997 г.).

Недостатком этого известного устройства является сложность электрической схемы из-за использования дополнительной вторичной обмотки, выпрямителя и фильтра.

Техническим результатом является упрощение электрической схемы при обеспечении точности поддержания выходных напряжений при широком изменении входного напряжения.

Для этого в преобразователе постоянного напряжения, содержащем 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 объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого подключен к одному из парафазных выходов переключающего логического элемента, управляемого от генератора импульсов, к диагонали моста подключена первичная обмотка силового трансформатора, n вторичных обмоток (где n - целое число), каждая из которых подключена через соответствующий выпрямитель и LC-фильтр к выходным шинам, для увеличения внутреннего сопротивления преобразователя на малых токах нагрузки и исключения превышения выходным напряжением допустимого значения при работе на минимальную нагрузку дроссель каждого LC-фильтра выполнен с одной обмоткой на двух П-образных сердечниках с кернами, имеющих разные немагнитные зазоры X₁ и X₂, причем X₂/X₁=I₂/I₁, где I₂ и I₁ - значения токов насыщения второго и первого П-образных сердечников.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение дросселя фильтра согласно вышеописанному позволяет упростить электрическую схему и при высоком КПД обеспечить точность поддержания выходных напряжений (при широком изменении входного напряжения).

Сравнение предлагаемого преобразователя с ближайшими аналогами 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 внедрения.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - конструкция дросселя.

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 подключены к диагонали моста, образованной колебательным контуром из последовательно соединенных реактора 5 и конденсатора 6, 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.

Второй 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. Вход последнего соединен с выходом генератора 21 задающей частоты.

Каждый фильтр 11-i содержит конденсатор 22 и дроссель 23.

Дроссель 23 выполнен с одной обмоткой 24 на двух П-образных сердечниках 25, 26 с кернами 27, 28 таким образом, что образованы разные немагнитные зазоры 29 и 30, величины которых соотносятся согласно формуле X₂/X₁ = I₂/I₁, где I₂ и I₁ - значения токов насыщения второго и первого П-образных сердечников.

Немагнитные зазоры 29, 30 могут быть выполнены путем использования немагнитных прокладок.

Каждая силовая ключевая ячейка 14-1...14-N и 15-1...15-N содержит обратный диод либо с тиристором, либо с аналогичным тиристору транзистором.

Переключающий элемент 20 может быть выполнен в виде счетного триггера.

Преобразователь работает следующим образом.

При наличии входного напряжения генератор 21 постоянно с требуемой частотой вырабатывает импульсы на переключающий элемент 20, под действием которых на очередных выходах 18 и 19 вырабатываются сигналы, по фронту либо по срезу которых соответствующий блок 16 или 17 формирует сигнал управления на открытие соответствующих силовых ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N.

Входное постоянное напряжение при очередном открывании силовых ключевых ячеек 14-1. . . 14-N верхнего плеча или силовых ключевых ячеек 15-1...15-N нижнего плеча преобразуется на реакторе 5 и конденсаторе 6 колебательного контура в однофазное переменное напряжение и подается на первичную обмотку 7 силового трансформатора 8, которое из 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.

При больших нагрузках, соответствующих току выше I_м/m, где I_м - максимальное значение тока, П-образный сердечник 25, имеющий малый немагнитный зазор 29, входит в насыщение, а второй П-образный сердечник 26, имеющий большой немагнитный зазор 30, не насыщается.

В результате общая индуктивность дросселя 23 снижается приблизительно в S₂₆/(S₂₆+S₂₅m) раз, где S₂₅ и S₂₆ - сечения магнитопроводов П-образных сердечников 25 и 26 соответственно. Значение данной индуктивности рассчитывается по традиционным методикам с учетом того, что снижение частоты ограничено насыщением силового трансформатора 8 и ток I_м/m является минимальным, при котором осуществляется требуемая точность поддержания выходного напряжения.

При снижении тока нагрузки ниже I_м/m П-образный сердечник 25 выходит из насыщения и по сравнению с предыдущим случаем общая индуктивность фильтра увеличивается в (S₂₆ + S₂₅m)/S₂₆ раз. В результате минимальное значение тока нагрузки, при котором осуществляется требуемая точность поддержания выходного напряжения, снижается в (S₂₆/(S₂₆+S₂₅m))^0,5.

Благодаря этому увеличивается полное внутреннее сопротивление преобразователя и обеспечивается точность поддержания выходных напряжений преобразователя при широком изменении входного напряжения и широком диапазоне изменения тока нагрузок от I_м(S₂₆/(S₂₆+S₂₅m))^0,5 до I_м [А], и при ограничении снижения частоты регулирования, обусловленного насыщением силового трансформатора. Соответственно ток поднагрузки может быть снижен в [(S₂₆+S₂₅m)^0,5] /(S^0,5 ₂₆ m) раз, что обуславливает снижение потерь в поднагрузке в (S₂₆/m+S₂₅)/(S₂₆m) раз и соответственно определяет повышение КПД преобразователя. Также при малых нагрузках отсутствует превышение выходного напряжения над номинальным значением, что обуславливает надежность работы конденсатора фильтра и соответственно всего преобразователя в целом.

Таким образом, при относительной простоте электрической схемы обеспечиваются повышение КПД, точность поддержания выходных напряжений и надежная работа преобразователя при широком изменении входного напряжения, особенно при малых нагрузках и при ограничении снижения частоты регулирования, обусловленного насыщением силового трансформатора.

Преобразователь предназначен для формирования из входного постоянного высоковольтного напряжения заданного количества выходных напряжений различных уровней. Для упрощения схемы при обеспечении надежной работы в широком диапазоне входных напряжений в преобразователе, что является технических результатом, дроссель каждого LС-фрильтра выполнен с одной обмоткой на двух П-образных сердечниках с кернами, имеющих разные немагнитные зазоры. 2 ил.

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 объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого подключен к одному из парафазных выходов переключающего логического элемента, управляемого от генератора импульсов, к диагонали моста подключена первичная обмотка силового трансформатора, каждая из n вторичных обмоток которого подключена через соответствующий выпрямитель и LC-фильтр к выходным шинам, отличающийся тем, что для увеличения внутреннего сопротивления преобразователя на малых токах нагрузки и исключения превышения выходным напряжением допустимого значения при работе на минимальную нагрузку дроссель каждого LC-фильтра выполнен с одной обмоткой на двух П-образных сердечниках с кернами, имеющих разные немагнитные зазоры Х₁ и Х₂.