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

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

Известен 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 к шинам выходного напряжения, и генератор задающей частоты (патент GB N 2045550, кл. H 02 M 3/00 от 1980 г.).

Однако 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, особенно при значительных токах нагрузки.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий генератор задающей частоты и 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 трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных или транзисторных ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом соответствующего полупроводникового ключевого элемента и подключены к выходу соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого соединен с соответствующим выходом переключающего элемента, n вторичных обмоток силового трансформатора (где n - целое число) через соответствующие выпрямители и фильтры соединены с шинами выходного напряжения, датчик тока, выход которого подключен ко входу компаратора, блок задержки и элемент И (см. патент РФ N 2111604, кл. H 02 M 3/315, 1997 г.).

Однако и это известное устройство не обеспечивает эффективную защиту силовых ключевых элементов, особенно при аварийных режимах работы, которые имеют место при возникновении высоких ненормированных значений токов в цепях нагрузок. Кроме того, известное устройство требует дополнительного электронного оборудования, что усложняет схему.

Техническим результатом является обеспечение надежной работы устройства при аварийных режимах из-за высоких ненормированных значениях токов в цепях нагрузок и упрощение схемы.

Для этого в преобразователь постоянного напряжения, содержащий генератор задающей частоты и 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 трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных или транзисторных ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом соответствующего полупроводникового ключевого элемента и подключены к выходу соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого соединен с соответствующим выходом переключающего элемента, n вторичных обмоток силового трансформатора (где n - целое число) через соответствующие выпрямители и фильтры соединены с шинами выходного напряжения, датчик тока, выход которого подключен ко входу компаратора, блок задержки и элемент И, для определения ненормированной скорости нарастания токов в цепях нагрузок в моменты времени (m-1)T + T_p/2 и mT+(T_p-T)/2, где T_p - период частоты колебательного контура на холостом ходу, m = 1, 2,... и т.д. - номер текущего периода T частоты переключения ключевых элементов, один из которых имеет фазу включения, равную 0, а другой имеет фазу, равную T/2 и T/2 > T_p, введен блок запрета, причем датчик тока включен между вторым выводом первичной обмотки трансформатора и объединенными выводами второй стойки моста, вход переключающего элемента подключен к выходу элемента И, первый вход которого соединен с выходом блока запрета, первый вход которого подключен к выходу компаратора, а второй вход - к выходу блока задержки, вход которого и второй вход элемента И подключены к выходу генератора задающей частоты, кроме того, блок запрета выполнен в виде триггера защелки, у которого первый вход осуществляет функцию разрешения счета, а второй - является счетным.

Сущность изобретения заключается в том, что введение блока запрета, соединение элементов соответствующим образом и определение ненормированной скорости нарастания токов в цепях нагрузок в моменты времени (m-1)T + T_p/2 и mT + (T_p - T)/2, где T_p - период частоты колебательного контура на холостом ходу, m = 1, 2,... т.д. - номер текущего периода T частоты переключения ключевых элементов, один из которых имеет фазу включения, равную 0, а другой имеет фазу, равную T/2 и T/2 > T_p, позволило повысить эффективность и помехоустойчивость защиты силовых ключевых элементов и соответственно обеспечить надежное функционирование преобразователя в случае возникновения аварийного режима работы, который имеет место при высоких ненормированных значениях токов в цепях нагрузок.

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 чертеже представлена схема предлагаемого преобразователя.

Преобразователь содержит шины 1, 2 входного высоковольтного напряжения, к которым подключены одни выводы конденсаторов 3 и 4, образующие плечи первой стойки моста. Другие выводы конденсаторов 3 и 4 подключены к диагонали моста, образованной колебательным контуром из последовательно соединенных реактора 5 и конденсатора 6, и 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 через датчик 14 тока подключен к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано из последовательно соединенных силовых ключевых ячеек 15-1. . . 15-N и 16-1...16-N, управляющие входы которых соединены с выходом соответствующих блоков 17 и 18 формирования сигналов управления, вход каждого из которых подключен к соответствующему парафазному выходу 19 или 20 переключающего элемента 21.

Кроме того, преобразователь содержит элемент И 22, первый вход 23 которого соединен с выходом блока 24 запрета, а второй вход 25 - с выходом генератора 26 задающей частоты. При этом первый вход 27 блока 24 запрета через компаратор 28 соединен с выходом 29 датчика 14 тока, а второй вход 30 через блок задержки 31 соединен с выходом генератора 26.

Каждая ключевая ячейка 14-i или 15-i может содержать обратный диод 32 с тиристором 33 или с аналогичным тиристору транзистором (на чертеже отсутствует).

Переключающий элемент 21 может быть выполнен в виде счетного триггера.

Блок 24 запрета может быть выполнен в виде триггера-защелки, у которого первый вход 27 осуществляет функцию разрешения счета, а второй 30 - счетный.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче напряжения питания все блоки устанавливаются в исходное положение и генератор 26 начинает постоянно с требуемой частотой вырабатывать импульсы управления на блок 31 задержки и на вход 25 элемента И 22.

При допустимых значениях скоростей нарастания токов в цепях нагрузок компаратор 28, обрабатывая сигнал с выхода 29 датчика 14 тока формирует на входе 27 блока 24 сигнал запрета счета. В связи с этим, несмотря на то, что блок 31 задержки после фронта либо среза выходного сигнала генератора 26 формирует в моменты времени (m-1)T+T_p/2 и mT+(T_p-T)/2 импульсы на счетном входе 30, блок 24 на входе 23 элемента И 22 вырабатывает сигнал разрешения, при котором последний через вход 25 пропускает очередной импульс с генератора 26 на переключающий элемент 21. В результате чего последний на выходе 19 или 20 формирует импульс, по фронту либо срезу которого соответствующий блок 17 или 18 формирует очередные сигналы управления на открытие ключевых ячеек 15-1... 15-N или 16-1...16-N, соответственно.

Входное постоянное напряжение при очередном открывании ключевых ячеек 15-1...15-N верхнего плеча или ключевых ячеек 16-1...16-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 возникновении ненормированного роста токов в цепях нагрузок компаратор 28, обрабатывая сигнал с выхода 29 датчика 14 тока формирует на входе 27 блока 24 запрета сигнал разрешения счета, в результате чего после поступления от блока 31 задержки на вход 30 сигнала, который формируется в моменты времени (m-1)T+T_p/2 и mT+(T_p-T)/2 после фронта, либо среза, выходного импульса генератора 26, блок 24 вырабатывает сигнал запрета на входе 23 элемента И 22.

При наличии сигнала запрета на входе 23 элемент И 22 перестает пропускать импульсы с генератора 26 на переключающий элемент 21, в результате чего формирование управляющих сигналов на открытие ключевых ячеек 15-1...15-N и 16-1...16-N прекращается и преобразователь безаварийно выключается.

Благодаря определению роста ненормированных значений токов в цепях нагрузок и своевременному снятию управляющих сигналов с ключевых ячеек преобразователь выключается до развития аварийного режима. При этом благодаря определению роста ненормированных значений токов в цепях нагрузок в моменты времени (m-1)T + T_p/2 и mT+(T_p-T)/2, при которых электромагнитные помехи имеют минимальные значения, обеспечивается помехоустойчивость преобразователя.

Таким образом обеспечивается решение поставленной задачи: повышение эффективности и помехоустойчивости защиты силовых ключевых полупроводниковых элементов и соответственно надежности функционирования преобразователя.

Преобразователь предназначен для формирования из входного постоянного высоковольтного напряжения заданного количества выходных напряжений различных уровней. Для обеспечения надежной работы, то есть для получения технологического результата и определения ненормированной скорости нарастания токов в цепях нагрузок в определенные моменты времени, введен блок запрета, соединенный соответствующим образом с другими элементами схемы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий генератор задающей частоты и мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы подключены к первому выводу первичной обмотки трансформатора через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных или транзисторных ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом соответствующего полупроводникового ключевого элемента и подключены к выходу соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого соединен с соответствующим выходом переключающего элемента, n вторичных обмоток силового трансформатора (где n - целое число) через соответствующие выпрямители и фильтры соединены с шинами выходного напряжения, датчик тока, выход которого подключен ко входу компаратора, блок задержки и элемент И, отличающийся тем, что введен блок запрета, причем датчик тока включен между вторым выводом первичной обмотки трансформатора и объединенными выводами второй стойки моста, вход переключающего элемента подключен к выходу элемента И, первый вход которого соединен с выходом блока запрета, первый вход которого подключен к выходу компаратора, а второй вход - к выходу блока задержки, вход которого и второй вход элемента И подключены к выходу генератора задающей частоты, при этом импульсы на выходе блока задержки формируются в моменты времени
(m - 1)T + Tp/2,
mT + (Tp - T)/2,
где T - период частоты переключения ключевого элемента;
Tp - период частоты колебания контура на холостом ходу;
m - номер текущего периода. 2. Преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что блок запрета выполнен в виде триггера защелки, у которого первый вход осуществляет функцию разрешения счета, а второй - является счетным.