ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ С ЗАДАННОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ ОТ ВРЕМЕНИ Российский патент 2000 года по МПК H02M7/515 H02M7/523 

Предлагаемое изобретение относится к электротехникe и может быть использовано для питания различных технологических устройств, двигателей.

В настоящее время широко известны тиристорные преобразователи постоянного напряжения в переменное формой, близкой к синусоидальной, содержащие автономный инвертор напряжения, с широтно-импульсной модуляцией и фильтр переменной составляющей напряжения на выходе [1]. Такое выполнение преобразователя обуславливает значительное ухудшение его технико-экономических показателей из-за уменьшения максимального значения длительности импульсов на выходе в переxодных режимах коммуникации. Кроме того, реактор фильтра переменной составляющей напряжения в таком преобразователе должен иметь энергоемкость, определяемую выражением
W_L=P_н•T_иI_m/2I_доп =S_нI_m/2I_~доп, (1)
где P_н - номинальная мощность нагрузки;
T_и - длительность импульса на выходе;
I_m - максимальное значение тока нагрузки;
I_~доп - допустимое значение переменной составляющей тока на выходе преобразователя;
S_н - среднее значение энергии, проходящей через преобразователь.

Согласно (1) энергоемкость реактора фильтра превышает среднее значение энергии, проходящей через преобразователь, в I_m/I_~доп. Это обуславливает значительное увеличение массогабаритных показателей и стоимости оборудования преобразователя.

К недостаткам подобных преобразователей следует отнести наличие режима принудительной коммутации силовых полупроводниковых приборов, создающего дополнительные потери энергии в кремниевых структурах последних и элементах демпфирующих цепочек. В случаях выполнения преобразователей на тиристорах в схему автономного инвертора приходится вводить дополнительные коммутирующие устройства, мощность которых превышает номинальную мощность нагрузки.

С целью уменьшения массы силового оборудования преобразователя ранее было предложено его силовую часть выполнять на основе автономного инвертора повышенной частоты [2] (прототип). Однако при этом преобразователь приходится дополнять реверсивным управляемым выпрямителем с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному закону, и оборудование устройств коммутации инвертора должно иметь мощность, в 2-3 раза большую номинальной мощности нагрузки. Указанный недостаток легко устраняется выполнением преобразователя на основе автономного инвертора с последовательно-параллельной коммутацией [3] с дискретным изменением выходного напряжения коммутатором отпаек трансформатора [4].

Технической задачей изобретения является уменьшение установленной мощности оборудования устройств коммутации автономного инвертора при выполнении его на тиристорах и потерь электроэнергии в переходных режимах коммутации.

Поставленная техническая задача достигается тем, что полупроводниковый преобразователь содержит автономный инвертор напряжения повышенной частоты с колебательным контуром коммутации, выполненный на тиристорах и диодах со встречно-параллельным соединением, силовой трансформатор, две группы тиристорных коммутаторов и блок управления с элементами гальванической развязки в выходных цепях, формирующий импульсы тока для поочередного отпирания тиристоров указанных коммутаторов, каждый из которых имеет по n ячеек, при этом тиристоры каждой ячейки обоих коммутаторов соединены с соответствующими отпайками вторичной обмотки силового трансформатора, а их управляющие переходы связаны с соответствующими выводами выходных каскадов устройства логики указанного блока управления.

Снижение установленной мощности реактивных элементов преобразователя обеспечивается подключением на его выходе дополнительного LC фильтра, реактивные элементы которого должны иметь параметры, обеспечивающие синусоидальную форму импульсов тока в цепи тиристоров коммутаторов. При этом длительность полупериода собственных колебаний тока на выходе коммутаторов должна быть меньше длительности импульсов на выходе указанного инвертора на время выключения тиристоров.

Для этого необходимо, чтобы величины индуктивности реактора и емкости конденсатора LC фильтра удовлетворяли условию, при котором длительность импульсов превышает полупериод собственных колебаний указанного фильтра на время выключения тиристоров коммутаторов

где L_к, C_к - индуктивность и емкость колебательного контура коммутации автономного инвертора;
L - индуктивность реактора фильтра;
C_ф - емкость конденсатора фильтра;
θ_в - время выключения тиристоров инвертора и коммутаторов.

Из приведенного выражения следует определить требуемую величину емкости фильтра

На фиг. 1, 2 приведены принципиальные схемы предлагаемого преобразователя и блока управления; на фиг. 3 даны временные диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие его работу.

Полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в переменное с заданной функциональной зависимостью от времени (фиг. 1) содержит первый и второй коммутаторы, выполненные соответственно на тиристорах 1-10 и 11-20, LC фильтр с реактивными элементами 21, 22, силовой трансформатор 23, вторичная обмотка которого имеет n отпаек, автономный инвертор напряжения 24 с фильтром переменной составляющей тока на входе, включающем конденсатор 25 и реактор 26, и блок управления 27, в состав которого входят формирователи импульсов тока для отпирания тиристоров инвертора 24 и первого и второго коммутаторов с общим генератором тактовых импульсов.

Нагрузка преобразователя 28 подключена к фазному и общему выводам преобразователя, соединенным соответственно с общим выводом выходов первого и второго коммутаторов и общим выводом соединения полуобмоток трансформатора 23, через LC фильтр, содержащий конденсатор 21 и реактор 22, и фильтр переменной составляющей тока на выходе, включающий конденсатор 29 и реактор 30.

Управляющие переходы тиристоров 1-10 первого коммутатора, обеспечивающего формирование положительной полуволны напряжения на выходе, и тиристоров 11-20 второго коммутатора, обеспечивающего формирование отрицательной полуволны напряжения, связаны с соответствующими выводами выходных каскадов устройства логики блока управления 27 через элементы гальванической развязки, входящие в состав последнего.

Блок управления преобразователем (фиг. 2) содержит генератор тактовых импульсов (U_т) 31, выполненный на логическом элементе ИЛИ-НЕ, пересчетное устройство с дешифратором и логическим элементом ИЛИ-НЕ 32, ключи 33 коммутатора импульсов тока управления тиристорами инвертора, пересчетное устройство 34, распределитель импульсов управления 35 первым и вторым коммутаторами, коммутаторы 36, 37, ключи 38, 39 и элементы гальванической развязки 40, 41 импульсов управления первым и вторым коммутаторами и 42 тиристорами инвертора.

В исходном состоянии тиристоры 1-10 и 11-20 первого и второго коммутаторов выключены и напряжение на конденсаторе 21 равно нулю. При этом сигнал на входе установки "0" имеет высокий уровень, пересчетное устройство 32 находится в запертом состоянии и напряжение на выходе установки "0" пересчетного устройства до нуля обеспечивает ввод его в работу. Благодаря этому на выходах указанного устройства формируются импульсы напряжения высокого уровня, сдвинутые во времени на полупериод. В результате поочередного отпирания ключей 33 импульсами, поступающими с выходов пересчетного устройства 32, формируются короткие импульсы тока повышенной частоты для отпирания тиристоров автономного инвертора напряжения 24, на выходе которого имеет место переменное напряжение прямоугольной формы.

В момент времени t₁ (фиг. 3) на выходе "0" пересчетного устройства 34 формируется сигнал высокого уровня, который, поступая на вход распределителя импульсов 35, обеспечивает появление сигнала U₀ низкого уровня на входах логических элементов коммутатора 36.

В момент времени t₂ на выходе "1" устройства 34 появляется сигнал высокого уровня, который, проходя через распределитель импульсов 35, поступает на вход управления коммутатора 36, обеспечивает формирование импульса U₂ высокого уровня на входе управления ключа 38 и прохождение импульсов тока управления тиристорами 1 и 2 первого коммутатора через первые элементы коммутатора 38 и гальванической развязки 40. При этом формируется первая ступень напряжения на выходе U_вых.

В момент времени t₃ сигнал высокого уровня формируется на выходе "2" пересчетного устройства 34, который, воздействуя на распределитель 35, формирует импульс высокого уровня на входе управления тиристорами 3, 4 первого коммутатора и формирует вторую ступень напряжения на выходе.

В дальнейшем в моменты времени t₄, t₅ и t₆ обеспечивается поочередное переключение импульсов тока управления тиристорами 5,6; 7,8 и 9,10. Затем в моменты времени t₇, t₈, t₉, t₁₀ происходит поочередное переключение импульсов тока управления тиристорами 1-10, в указанной последовательности обеспечивается переключение отпаек вторичной обмотки трансформатора 23 и соответствующее изменение напряжения на конденсаторе 21. При этом происходит формирование положительной полуволны кривой напряжения на выходе преобразователя.

В момент времени t₁₁ на выходе "0" пересчетного устройства 34 снова появляется сигнал высокого уровня, который обеспечивает срабатывание распределителя импульсов 35 и обеспечивает переход сигнала U₀ низкого уровня с входа коммутатора 36 на вход управления коммутатора 37. Благодаря этому происходит формирование сигналов управления высокого уровня на входах ключа 39 и поочередное переключение импульсов тока для отпирания тиристоров 11-20 второго коммутатора в такой же последовательности, что и первого коммутатора.

В результате поочередного отпирания тиристоров второго коммутатора обеспечивается формирование отрицательной полуволны кривой напряжения на выходе преобразователя.

С целью обеспечения требуемой зависимости напряжения на выходе от времени достаточно вторичную обмотку трансформатора 23 выполнить с отпайками в соответствии с заданной закономерностью. Так, например, в случае синусоидальной формы кривой напряжения на выходе преобразователя количество витков каждой отпайки вторичной обмотки трансформатора определяется по формуле

где n₂ - полное количество витков вторичной обмотки трансформатора;
Ω - частота колебаний на выходе преобразователя;
k_i - порядковый номер отпайки трансформатора;
Δt - шаг квантования по времени.

При рассматриваемом варианте выполнения блока управления преобразователем, в котором шаг квантования принят равным 0,1 полупериода колебаний, напряжениe на выходе не превышает 8% от максимального значения напряжения, его частота в 20 раз больше частоты формируемых колебаний.

Предлагаемый преобразователь обеспечивает возможность уменьшения шага квантования и амплитуды переменной составляющей напряжения на выходе в 2 раза по сравнению с рассмотренным вариантом. С целью решения данной задачи блок управления дополнятся триггером, пересчетным устройством и группой логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ. При этом количество коммутирующих тиристоров в силовой части преобразователя остается прежним.

Источники информации
1. А. С.Сандлер, Ю.М.Гусяцкий. Автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному закону для частотного управления асинхронными двигателями.- Электричество, 1967, N 3, с. 53-59.

2. В. Е.Тонкаль, Л.Г.Мельничук, А.В.Новосельцев, Ю.И.Дыхненко. Полупроводниковые преобразователи модуляционного типа с промежуточным звеном повышенной частоты.- Киев: Наукова думка, 1981. - 251 с.

3. А.с. СССР N 561264. Преобразователь постоянного тока в постоянный/Л. Г.Кощеев, Т.П.Третьяк// Бюллетень изобретений, 1977, N 21.

4. А.с. СССР N 577623. Коммутатор отпаек трансформатора/К.А.Липковский, А.А.Озерянский, Н.И.Барановский// Бюллетень изобретений, 1977, N 39.

Изобретение предназначено для использования в качестве источника питания низковольтных потребителей подвижного состава от бортовой сети, технологических устройств различных производственных процессов. Преобразователь содержит автономный инвертор напряжения с силовым трансформатором повышенной частоты, первый и второй коммутаторы и блок управления. В нем на выходе подключен конденсатор, емкость которого определяется заданной зависимостью от параметров контура коммутации и тиристоров. Блок управления содержит общий для формирования импульсов управления тиристорами инвертора и коммутаторов тактовый генератор, пересчетные устройства, логические элементы распределения импульсов управления во времени и устройства гальванической развязки. Технический результат - уменьшение массы силового оборудования преобразователя. 1 з.п.ф-лы. 3 ил.

1. Полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в переменное с заданной функциональной зависимостью от времени с промежуточным звеном повышенной частоты, содержащий автономный инвертор напряжения, выполненный на тиристорах, с трансформатором, вторичная обмотка которого содержит n секций, соединенных последовательно, первый и второй коммутаторы, выполненые на тиристорах, образующих катодную и анодную группы, блок управления указанными инвертором и коммутаторами, отличающийся тем, что в нем общие выводы указанных коммутаторов соединены с фазным выводом преобразователя, а их одноименные выводы присоединены к соответствующим отпайкам вторичной обмотки указанного трансформатора, количество витков которых определено по формуле
n_т2i = n₂f(k_iΔt),
где n_т2i - количество витков i-й отпайки вторичной обмотки;
n₂ - общее количество витков вторичной обмотки трансформатора;
k_i - порядковый номер отпайки вторичной обмотки;
Δt - шаг квантования по времени,
а управляющие переходы тиристоров каждой ячейки коммутаторов связаны с соответствующими выводами выходных каскадов устройства логики блока управления, в состав которого входят общий генератор тактовых импульсов, первое пересчетное устройство с дешифратором и логическим элементом ИЛИ - НЕ, ключи коммутатора импульсов управления, второе пересчетное устройство и распределитель импульсов управления коммутаторами. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в нем вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде двух полуобмоток, соединенных между собой согласно последовательно, общий вывод которых подключен к выходной клемме, а количество витков каждой отпайки первой и второй полуобмоток определяется поочередно по указанной выше формуле.