РЕВЕРСИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ МОДУЛЯХ Российский патент 2004 года по МПК H02M7/17 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, например, в регулируемом электроприводе постоянного или переменного тока.

Известно, что для построения реверсивных вентильных преобразователей (РВП) на традиционной элементной базе в виде однооперационных тиристоров требуется два комплекта управляемых вентилей. Большое количество вентилей и сложные алгоритмы управления вентильными комплектами являются главными недостатками РВП на тиристорах. Упрощения схем и способов управления РВП можно достичь, используя для их построения новую элементную базу в виде запираемых GTO-тиристоров или транзисторных IGBT, MOSFET- ключей. Одно из наиболее простых решений, отвечающих современным тенденциям, состоит в использовании диодно-транзисторных модулей. Такой модуль может быть выполнен с применением лишь одного транзисторного ключа, с помощью которого осуществляется ШИМ-регулирование напряжения во всех трех фазах преобразователя или шунтирование нагрузки на интервалах ее отключения от первичного источника.

Наиболее близкое техническое решение поставленной задачи содержится, на наш взгляд, в схеме преобразователя с применением двух указанных модулей (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высшая школа, 1980, рис. 3.26 на стр. 177). Данный преобразователь относится к категории преобразователей с непосредственным питанием от трехфазной сети, содержит согласующий трансформатор и два диодно-транзисторных модуля, каждый из которых может быть выполнен с применением трехфазного диодного моста, зажимы постоянного тока которого соединены в проводящем направлении с помощью силового транзисторного ключа. Каждый модуль выполняет функции коммутирующего элемента для объединения в нулевую точку одноименных выводов вторичных обмоток трансформатора, для чего диодный мост первого модуля зажимами переменного тока соединен с первыми одноименными выводами (началами или концами) указанных обмоток, а диодный мост второго модуля аналогичным образом соединен с вторыми одноименными выводами этих же обмоток.

Однако данная структура может служить основой для получения лишь так называемых одноквадрантных (нереверсивных) схем выпрямления, работающих с трехкратной частотой пульсаций. Для получения шестипульсной реверсивной схемы, способной работать во всех четырех квадрантах внешних характеристик, в схему предлагается ввести еще шесть транзисторных ключей с двухсторонней проводимостью тока, каждый из которых своим первым выводом подключен к одному из шести выводов указанных вторичных обмоток трансформатора, а вторыми выводами все вместе присоединены к одному из выводов однофазной цепи нагрузки, второй вывод которой подключен к объединенным нулевым выводам вторичных обмоток трансформатора, каждый из которых образован средней точкой двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих силовой транзисторный ключ в обратном направлении.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - диаграммы выходного напряжения и управляющих импульсов, поясняющие работу устройства в режимах "вперед" и "назад". Данный преобразователь может служить основой для построения других менее сложных схем, для иллюстрации чего на фиг.3 приведена схема и поясняющая диаграмма шестипульсного одноквадрантного преобразователя, ШИМ-регулирование которого осуществляется с поддержанием единичного значения входного коэффициента сдвига; на фиг.4 - схема аналогичного по свойствам преобразователя, обеспечивающего регулирование с опережающим или с отстающим коэффициентом сдвига; на фиг.5 - схема трехпульсного четырехквадратного преобразователя, регулирование которого также может происходить с поддержанием любого заданного коэффициента сдвига.

Представленное на фиг.1 устройство содержит согласующий трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого могут быть соединены по схеме звезды с помощью транзисторного ключа 1 в составе первого диодно-транзисторного модуля или по схеме обратной звезды с помощью транзисторного ключа 2 в составе второго аналогичного модуля. Поочередное подключение цепи нагрузки Zн к концам вторичных обмоток x, y, z осуществляется с помощью транзисторных ключей 3, 5, 7, а к началам вторичных обмоток а, б, с - с помощью транзисторных ключей 4, 6, 8. Данные ключи должны обладать двухсторонней проводимостью тока, для чего каждый может быть выполнен по известной встречно-параллельной схеме на двух МОП транзисторах и двух диодах. Второй конец нагрузки при включении транзисторов 1, 2 соединяется в это время с нулевыми точками обмоток трансформатора. Одновременное включение транзистора 2 и одного из транзисторов 4, 6, 8 создает цепь для шунтирования нагрузки в любом направлении протекающего тока на интервалах нулевых пауз, что необходимо для поддержания непрерывного тока нагрузки. Регулирование выходного напряжения Ud в данной схеме возможно любым из известных способов, например, способом широтно-импульсной модуляции на частоте пульсаций выпрямленного напряжения, как это показано на диаграммах фиг.2. Принцип действия преобразователя в режиме шестипульсного выпрямителя очевиден из представленных диаграмм управляющих импульсов для всех 1-8 ключей. Как следует из диаграмм, изменение величины и полярности выходного напряжения достигается соответствующим изменением фазы отпирающих импульсов. При любой комбинации проводящих вентилей сохраняется двухсторонняя проводимость цепи нагрузки, что обеспечивает возможность работы во всех четырех квадрантах внешних характеристик при непрерывном токе. По сравнению с традиционным вариантом выполнения реверсивного преобразователя по двухмостовой шестипульсной схеме выпрямления на 12 управляемых вентилях данная схема позволяет уменьшить это число на четыре вентиля. Независимость алгоритма переключении от направления тока нагрузки существенно упрощает систему управления, при этом необходимость управления вентильными комплектами по совместному или раздельному принципу отсутствует.

Представленная схема может рассматриваться как базовая для создания на ее основе простых схем с меньшими функциональными возможностями. Упрощенная функциональная схема простейшего шестипульсного одно-квадратного выпрямителя на фиг. 3а показывает, что для ее создания потребуется лишь один модуль на транзисторе 1. Простота данной схемы сочетается с возможностью плавного регулирования выпрямленного напряжения от нуля до максимума с единичным значением сетевого коэффициента сдвига. Необходимый для этого алгоритм переключений иллюстрируется диаграммой на фиг.3б.

В отличие от рассмотренного компенсированного выпрямителя схема на фиг.4а может выполнять функции компенсационного выпрямителя, способного работать как с отстающим, так и опережающим коэффициентом сдвига, что позволит ее использовать в целях компенсации реактивной мощности, потребляемой другими устройствами. Как следует из фиг.4а, б, для этого потребуется применение трех транзисторных ключей, например, 4, 6, 8, при этом функции обратного вентиля, шунтирующего нагрузку на интервалах выключенного состояния транзисторов, могут выполнять противофазные диоды в составе мостовой схемы.

В отличие от рассмотренных, преобразователь на фиг.5а может работать во всех четырех квадрантах внешних характеристик при трехкратной частоте пульсаций выходного напряжения. Для получения данного устройства требуется постоянное соединение вторичных обмоток по схеме обратной звезды, что обеспечивается включением транзистора 2, регулирование выходного напряжения с помощью ключей 3, 5, 7 и шунтирование нагрузки на интервалах их выключения с помощью транзистора 8. Алгоритм переключения этих вентилей приведен на диаграммах фиг.5б.

Сравнительная простота конструкции и широкие функциональные возможности представленного реверсивного преобразователя создают предпосылки его применения в различных областях и, прежде всего, в качестве так называемого активного преобразователя с улучшенной электромагнитной совместимостью в реверсивном электропроводе постоянного тока. Применением соответствующих известных алгоритмов переключения вентилей данный преобразователь переводится в режим непосредственного преобразователя частоты, поэтому область его возможного применения распространяется и на электропривод переменного тока.

Реверсивный преобразователь с непосредственным питанием от трехфазной сети содержит согласующий трансформатор, шесть транзисторных ключей с двухсторонней проводимостью тока и два диодно-транзисторных модуля каждый в виде трехфазного моста на диодах, зажимы постоянного тока которого соединены с помощью транзисторного ключа, выполняющий функции коммутатора для объединения одноименных выводов вторичных обмоток трансформатора в нулевую точку. Обеспечивает работу во всех четырех квадрантах внешних характеристик при шестикратной частоте пульсаций. По сравнению с традиционным вариантом исполнения шестипульсного реверсивного преобразователя количество управляемых вентилей уменьшено на четыре штуки - это является техническим результатом. 5 ил.

Реверсивный преобразователь на диодно-транзисторных модулях с непосредственным питанием от сети трехфазного тока, содержащий согласующий трехфазный трансформатор и два диодно-транзисторных модуля, каждый из которых, выполняя функции коммутирующего элемента для объединения в нулевую точку одноименных выводов вторичных обмоток трансформатора, выполнен в виде трехфазного диодного моста, зажимы постоянного тока которого соединены в проводящем направлении с помощью силового транзисторного ключа, зажимы переменного тока моста в составе первого модуля соединены с первыми одноименными выводами началами или концами указанных обмоток, а зажимы переменного тока диодного моста второго модуля аналогичным образом соединены с вторыми одноименными выводами этих же обмоток, отличающийся тем, что в схему введены еще шесть транзисторных ключей с двухсторонней проводимостью тока, каждый из которых своим первым выводом подключен к одному из шести выводов указанных вторичных обмоток трансформатора, а вторыми выводами все вместе присоединены к одному из выводов однофазной цепи нагрузки, второй вывод которой подключен к объединенным нулевым выводам вторичных обмоток трансформатора, каждый из которых образован средней точкой двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих силовой транзисторный ключ в обратном направлении.